通過使用慣性傳感器校準運動系統(tǒng)的位置的制作方法
【專利摘要】運動系統(tǒng)的校準使用一個或多個加速度計(25、125、150、40)針對靜態(tài)誤差校準例如坐標測量機等的運動系統(tǒng)的位置測量系統(tǒng)(36、128)。使用該位置測量系統(tǒng)以及通過雙重積分(58)該加速度計的輸出兩者測量(54、56)該運動系統(tǒng)的移位(d、50)。使用該加速度計的該移位測量不太容易受靜態(tài)誤差影響，或者其靜態(tài)誤差是可復驗的并且可以進行校正。將該移位測量與使用該位置測量系統(tǒng)的測量相比較因此會產(chǎn)生差值(70)，該差值可以用于構(gòu)建用于校正該位置測量系統(tǒng)的該靜態(tài)誤差的誤差映射或誤差函數(shù)。
【專利說明】
通過使用慣性傳感器校準運動系統(tǒng)的位置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及其中相對可移動部件相對于相對固定部件可移位的運動系統(tǒng)的校準。
[0002]運動系統(tǒng)的實例包含坐標測量機、手動坐標測量關節(jié)臂、檢測機器人、機械工具、打印系統(tǒng)、精密工件臺、取放機器等。可移動部件可以(例如)支撐用于在工件或其它物體上操作的工具?；蛘咴摽梢苿硬考梢灾С止ぜ驑颖?。在坐標測量機的情況下，工具可以是用于測量工件的探針。
【背景技術】
[0003]在已知運動系統(tǒng)中，相對可移動部件相對于相對固定部件是可移位的。位置測量系統(tǒng)測量相對移位。如果運動機動化，則位置測量系統(tǒng)可以提供位置的反饋以控制伺服環(huán)路中的電動機。
[0004]常規(guī)的運動系統(tǒng)利用所謂的串聯(lián)運動學。存在包括兩個或兩個以上串聯(lián)連接的可移動部件的鏈條。這些可移動部件經(jīng)由滑動或旋轉(zhuǎn)接頭連接到下一可移動部件。例如，部件可以是分別在兩個或三個正交軸Χ、γ或Χ、γ、ζ上可滑動的托架。每個軸可以具有相應變換器，例如，測量相應托架在對應方向上的移位的編碼器，以便提供鏈條(或安裝在其上的工具)的最后一個可移動部件的x、Y或x、Y、z坐標位置。還可以提供運動的額外軸(例如，旋轉(zhuǎn)軸)?；蛘?，關節(jié)臂可以具有串聯(lián)布置的若干旋轉(zhuǎn)接頭，每一個具有例如旋轉(zhuǎn)編碼器等的旋轉(zhuǎn)變換器。
[0005]這些變換器可以一起被視為用于整個多軸機器的位置測量系統(tǒng)。或者，每一個別運動軸可以被視為一維運動系統(tǒng)，其中相應變換器形成該軸的個別位置測量系統(tǒng)。
[0006]另一已知類型的運動系統(tǒng)利用并聯(lián)運動學。這可以(例如)包括三個或六個可延展支柱，每一個經(jīng)連接以在可移動部件與相對固定的底座部件或框架之間并聯(lián)動作。隨后通過協(xié)調(diào)三個或六個支柱的相應延展來控制可移動部件在系統(tǒng)的X、Y、Z工作容積中的移動。在國際專利申請案WO 03/006837和WO 2004/063579中示出并聯(lián)運動學機器的實例。
[0007]并聯(lián)運動學系統(tǒng)還具有提供可移動部件的Χ、Υ、Ζ坐標位置的位置測量系統(tǒng)。通常這可以包括例如測量支柱的延展的編碼器等的變換器，隨后可以根據(jù)該變換器計算Χ、Υ、Ζ坐標位置。
[0008]運動系統(tǒng)具有各種靜態(tài)誤差(還稱為“幾何”誤差，因為這些誤差可能由系統(tǒng)配置或變換器的幾何不準確性引起)。這些表示位置測量系統(tǒng)在可移動部件靜止時無法準確讀取可移動部件的位置。已知校準機器以校正此類靜態(tài)誤差。例如，參看第4，819，195號美國專利(貝爾(Bell)等人)，該專利示出使用例如激光干涉儀、電子水平儀和球桿等儀器校準三維串聯(lián)動態(tài)坐標測量機的靜態(tài)(幾何)誤差。這是非常耗時且昂貴的過程。
[0009]—些運動系統(tǒng)還具有動態(tài)誤差(也稱為慣性誤差)。這些動態(tài)誤差(例如)通過在機器移動時由于加速度而彎曲機器的各個組件引起。動態(tài)誤差還可以由振動引起。此種動態(tài)彎曲或振動引起可移動部件的運動，該運動可能無法通過位置測量系統(tǒng)準確地變換。然而，盡管一些多軸串聯(lián)動態(tài)機器易遭受此類彎曲和動態(tài)誤差，但是其它運動系統(tǒng)的構(gòu)造可以在可移動部件與位置測量系統(tǒng)的變換器變換其運動所處的點之間提供相對硬性或剛性耦合，因此減小動態(tài)誤差。此類相對硬性系統(tǒng)的實例可以包含并聯(lián)動態(tài)機器、單軸系統(tǒng)(以及多軸串聯(lián)動態(tài)機器的個別單軸)以及例如具有較大且因此本質(zhì)上硬性的組成部分的機械工具等的系統(tǒng)。其它運動系統(tǒng)可以具有機械頻率響應，當在某些頻率下移動而不再其它頻率下移動時，該機械頻率響應提供相對剛性耦合。
[0010]第6868356(奈(Nai)等人)號美國專利示出具有X、Y、Z滑動軸的串聯(lián)動態(tài)坐標測量機以及測量Χ、γ、ζ軸上的移位的位置測量變換器。為了解決動態(tài)誤差的問題，一個或多個加速度計安裝在機器的可移動部件上以便測量其加速度。可以加倍集成加速度計輸出以提供指示動態(tài)誤差的移位值。隨后將該移位值添加到位置測量變換器的輸出。因此通過加速度計實時測量未由Χ、γ、ζ位置測量變換器變換的任何運動。因此實時確定動態(tài)誤差(以及必要校正)。
[0011]然而，此加速度計信息不校正位置測量變換器的靜態(tài)誤差。實際上相反地，US6868356表明位置測量變換器可以用于針對各種靜態(tài)誤差校準加速度計數(shù)據(jù)。因此必須單獨地確定位置測量變換器的任何靜態(tài)誤差，并且如上所述這可能是耗時且昂貴的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提供一種校準運動系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差的方法，該系統(tǒng)包括:
[0013]相對固定部件和相對可移動部件；以及
[0014]位置測量系統(tǒng)，用于確定可移動部件相對于固定部件的位置，該確定受靜態(tài)誤差影響；
[0015]該方法包括:
[0016]提供一個或多個慣性傳感器，該慣性傳感器被布置成與可移動部件一起移動且測量可移動部件的移位；
[0017]引起可移動部件相對于固定部件的移位；
[0018]使用一個或多個慣性傳感器測量所述移位的量；
[0019]使用位置測量系統(tǒng)測量所述移位的量；以及
[0020]將使用位置測量系統(tǒng)測量到的移位的量與使用一個或多個慣性傳感器測量到的移位的量相比較;其中:
[0021 ]該比較產(chǎn)生用于位置測量系統(tǒng)的一個或多個靜態(tài)誤差的后續(xù)校正的差值。
[0022]使用一個或多個慣性傳感器測量到的移位與位置測量系統(tǒng)相比不太受運動系統(tǒng)的任何靜態(tài)誤差影響;或者根本不受靜態(tài)誤差影響。
[0023]就此而言，在一些情況下可以僅信任慣性傳感器的準確度。在其它情況下，這可以通過對照運動系統(tǒng)外部的參考標準直接校準用一個或多個慣性傳感器測量到的移位來實現(xiàn)。或者可以通過測量運動系統(tǒng)上的參考標準間接實現(xiàn)相同效果，例如，通過與參考標準的此種測量的比較來校正差值(或比例因數(shù)或誤差映射或源自差值的誤差函數(shù))。
[0024]可安排成在慣性傳感器的測量中呈現(xiàn)的系統(tǒng)的任何動態(tài)誤差或運動誘發(fā)的誤差與位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差相比較小。為實現(xiàn)此，慣性傳感器可以安裝在運動系統(tǒng)的一部分處，該運動系統(tǒng)的一部分以機械方式耦合到位置測量系統(tǒng)的變換器變換其運動所處的點，該機械耦合足夠剛性以確保在慣性傳感器的測量中呈現(xiàn)的系統(tǒng)的任何動態(tài)誤差與位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差相比較小?？商娲鼗蛄硗?，可移動部件在系統(tǒng)的校準期間的移位可以是在某一頻率下的振蕩，其中系統(tǒng)的機械頻率響應確保機械耦合足夠剛性以提供此保證。因此，可移動部件使用慣性傳感器的測量相對不受動態(tài)誤差的影響。
[0025]可替代地，此剛性耦合可能是因為運動系統(tǒng)本質(zhì)上足夠硬性(例如，該運動系統(tǒng)可以是并聯(lián)動態(tài)系統(tǒng)或具有相對較大組件的機械工具)。
[0026]通過比較由位置測量系統(tǒng)和加速度計兩者測量到的同一移位，產(chǎn)生靜態(tài)誤差值。該靜態(tài)誤差值可以被存儲且隨后用于校正由位置測量系統(tǒng)產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。此靜態(tài)誤差值應該與使用現(xiàn)有技術中的加速度計測量到的動態(tài)誤差區(qū)分開，因為在討論中的本發(fā)明的實施例中，動態(tài)誤差優(yōu)選地可忽略。
[0027]優(yōu)選地慣性傳感器安裝在運動系統(tǒng)的一部分處，該運動系統(tǒng)的一部分以機械方式耦合到位置測量系統(tǒng)的變換器變換其運動所處的點，該機械耦合足夠剛性以確保在使用慣性傳感器進行的測量中的任何動態(tài)誤差與位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差相比較小。
[0028]可移動部件可以在相對較大范圍內(nèi)可移動，并且測量可移動部件的移位的步驟可以在相對較小范圍內(nèi)進行?？梢酝ㄟ^可移動部件的振蕩產(chǎn)生小范圍內(nèi)的移位。振蕩可以處于某一頻率下，其中系統(tǒng)的機械頻率響應確保機械耦合足夠剛性。
[0029]在振蕩期間可以重復對可移動部件的移位的測量，并且差值可以從所重復的測量中平均化?？梢酝ㄟ^可移動部件的圓周運動產(chǎn)生振蕩。
[0030]優(yōu)選地針對在固定和可移動部件的多個相對位置處引起的移位而產(chǎn)生相應差值，并且該差值用于形成運動系統(tǒng)的靜態(tài)誤差的誤差映射或誤差函數(shù)。使可移動部件在小范圍內(nèi)移位的步驟以及測量可移動部件的移位的步驟可以在固定和可移動部件的多個不同相對位置處重復以產(chǎn)生每個位置的相應差值。
[0031]可以通過積分處于相對較大范圍內(nèi)的位置的多個所述差值而計算使用位置測量系統(tǒng)在可移動部件的相對較大移動范圍內(nèi)進行的位置測量的累積誤差。可以獲得誤差映射或誤差函數(shù)，該誤差映射或誤差函數(shù)提供可移動部件的多個位置中的每一個的相應累積靜態(tài)誤差。
[0032]如本說明書中論述的“誤差映射”可以包含(例如)用于校正后續(xù)測量值的值的查詢表。
[0033]—個或多個慣性傳感器可以包含一個或多個加速度計。通過雙重積分加速度計輸出而獲得由一個或多個加速度計測量到的移位。當不需要用于校準時，一個或多個慣性傳感器可以從運動系統(tǒng)中拆除，例如，這些慣性傳感器可以設置于可以附接到運動系統(tǒng)以及從運動系統(tǒng)中拆卸的模塊中。
[0034]本發(fā)明的另外方面包含使用運動系統(tǒng)的方法，其中通過應用由上述方法得到的校正來校正靜態(tài)誤差。本發(fā)明還包含經(jīng)配置以執(zhí)行上述方法中的任一個的運動系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0035]現(xiàn)將參考附圖借助于實例描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0036]圖1示出使用并聯(lián)運動學的具有運動系統(tǒng)的比較測量儀的可操作部分；
[0037]圖2示出使用串聯(lián)運動學的具有運動系統(tǒng)的坐標測量機(CMM)；
[0038]圖3示出在圖1或圖2中的任一機器的校準期間使用的慣性傳感器布置；
[0039]圖4是校準圖1或圖2中的機器的優(yōu)選方法的第一部分的流程圖；
[0040]圖5是在校準期間機器的運動的圖形表示；
[0041]圖6說明在校準期間在機器的工作容積內(nèi)的位置；
[0042]圖7是校準方法的另一部分的流程圖；以及
[0043 ]圖8示出在本發(fā)明的替代實施例中的機動化工件臺和測量儀的一部分。
【具體實施方式】
[0044]圖1是由本
【申請人】雷尼紹公司根據(jù)商標EQUATOR出售的比較測量儀的部分的圖解說明。該比較測量儀包括通過并聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)連接到可移動平臺32的固定平臺30。在本實例中，并聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)包括在固定平臺與可移動平臺之間并聯(lián)動作的三個支柱34。三個支柱34穿過三個相應致動器36，該支柱可以通過該致動器延展和縮回。每個支柱34的一端由普遍可樞轉(zhuǎn)接頭安裝到可移動平臺32，并且致動器36同樣以普遍可樞轉(zhuǎn)方式安裝到固定平臺30。
[0045]致動器36各自包括用于延展和縮回支柱的電動機以及測量相應支柱34的延展的變換器。在每個致動器36中，變換器可以是包括刻度尺和讀頭的編碼器，其具有用于讀頭的輸出的計數(shù)器。每個電動機和變換器形成由控制器或計算機8控制的相應伺服環(huán)路的一部分。
[0046]并聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)還包括三個無源抗旋轉(zhuǎn)裝置38、39，該裝置也在固定平臺與可移動平臺之間并聯(lián)動作。每個抗旋轉(zhuǎn)裝置包括鉸接于固定平臺30的剛性板39以及普遍可樞轉(zhuǎn)地連接在剛性板39與可移動平臺32之間的平行間隔開的一對桿38 ο抗旋轉(zhuǎn)裝置協(xié)作以對抵在所有三個旋轉(zhuǎn)自由度中的運動限制可移動平臺32。因此，可移動平臺32被限制為僅以三個平移自由度X、Y、Z移動。通過要求支柱34的合適延展，控制器/計算機8可以產(chǎn)生任何所需的Χ、Υ、Ζ移位或可移動平臺的Χ、Υ、Ζ定位。
[0047]在第5，813，287號美國專利(麥克默特里(McMurtry)等人)中描述此并聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)的操作原理。這是三角架機構(gòu)(具有三個延展支柱34)的實例?？梢允褂?例如)具有三角架或六角并聯(lián)動態(tài)機構(gòu)的其它運動系統(tǒng)。
[0048]三個致動器的變換器結(jié)合在一起形成位置測量系統(tǒng)。這樣通過控制器或計算機8中的合適運算確定可移動平臺32相對于固定平臺30的Χ、Υ、Ζ位置。這些運算為本領域技術人員所熟知的。然而，通過位置測量系統(tǒng)確定的位置因此受到靜態(tài)誤差的影響。下文論述的方法用于在使用機器測量工件之前針對這些靜態(tài)誤差校準位置測量系統(tǒng)。
[0049]通常，模擬探針16安裝在機器的可移動平臺32上，該模擬探針具有帶有工件接觸尖端22的可偏轉(zhuǎn)觸控筆20，但是可以使用其它類型的探針(包含接觸觸發(fā)式探針)。機器相對于工作臺12上的工件14移動探針16，以便實行對工件特征的測量。通過結(jié)合模擬探針16的輸出從伺服系統(tǒng)中的變換器的計算獲得工件表面上的點的Χ、Υ、Ζ位置。這都由控制器/計算機8控制。或者，通過接觸觸發(fā)式探針，指示探針已接觸工件表面的信號使根據(jù)來自變換器的輸出計算出的Χ、Υ、Ζ位置值定格，并且計算機讀取工件表面的坐標。必要時，對于在正常生產(chǎn)使用期間的測量操作，例如機器人(未示出)等的自動構(gòu)件可以將來自生產(chǎn)運行的一系列基本上相同的工件中的每一個放置于工作臺上的至少名義上相同的位置和定向中。
[0050]圖2說明具有串聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)的替代坐標測量機(CMM)1。該坐標測量機包括固定工作臺112，待測量的工件114可以放置于該固定工作臺上。模擬探針116安裝在機器的可移動套管軸118上，該模擬探針具有帶有工件接觸尖端122的可偏轉(zhuǎn)觸控筆120，但是同樣可以使用其它類型的探針(包含接觸觸發(fā)式探針)。
[0051]套管軸118和探針116經(jīng)由串聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)安裝以手動地或在由控制器和/或計算機108控制的X、Y和Z軸電動機的動作下一起在X、Y和Z方向上移動。已知且可以使用各種串聯(lián)動態(tài)運動系統(tǒng)。在本實例中，串聯(lián)動態(tài)系統(tǒng)的串聯(lián)連接部件包括在工作臺112上在Y軸方向上可移動的橋結(jié)構(gòu)124。托架126在橋124上在X軸方向上是可移動的。并且，固持探針116的套管軸118相對于托架126在Z軸方向上是可移動的。
[0052]通過Y軸變換器128測量橋124相對于工作臺112的Y軸運動。同樣，這可以是包括刻度尺和讀頭的編碼器，其具有用于讀頭的輸出的計數(shù)器。提供類似X軸和Z軸變換器(未示出)以測量托架126相對于橋124的X軸運動以及套管軸118相對于托架126的Z軸運動。變換器輸出被反饋回計算機或控制器108。這些變換器輸出可以用于具有Χ、Υ和Z軸電動機的相應伺服反饋回路中，以便控制套管軸和探針的Χ、Υ、Ζ定位。這些變換器輸出還與來自探針116的指示探針觸控筆120的偏轉(zhuǎn)的信號組合，以計算觸控筆尖端122的位置并且因此例如在探針在工件114的表面上掃描時測量該表面。
[0053]Χ、Υ和Z軸變換器構(gòu)成機器的位置測量系統(tǒng)，該位置測量系統(tǒng)易受如上文針對圖1所述的靜態(tài)誤差的影響。同樣，下文描述的方法用于在使用機器測量工件之前針對這些靜態(tài)誤差校準位置測量系統(tǒng)。
[0054]在使用時，圖1和2中的控制器或計算機8、108含有使探針16、116掃描工件14、114的表面的程序?；蛘?，對于接觸觸發(fā)式探針，該程序使接觸觸發(fā)式探針在足以獲得用于所需檢測操作的全部所需的工件尺寸和形狀的多個不同點處接觸工件的表面。此控制器/計算機還可以用于運行控制下文將描述的校準方法的程序。
[0055]為了在校準方法中使用，圖1示出慣性傳感器布置25安裝在并聯(lián)動態(tài)機器的可移動平臺32上。慣性傳感器布置25可以永久地設置于可移動平臺上，但是優(yōu)選地該慣性傳感器布置是暫時安裝在此處且在完成校準時拆除的模塊。這使相同慣性傳感器模塊能夠用于校準其它機器。
[0056]圖2示出慣性傳感器布置125可以類似地安裝在串聯(lián)動態(tài)機器的可移動套管軸118上。同樣，慣性傳感器布置可以永久地設置于此處，但是優(yōu)選地該慣性傳感器布置暫時安裝在此處且在完成校準時拆除，使得該慣性傳感器布置可以用于校準其它機器。
[0057]在任一情況下，探針16、116可以是可更換的，并且慣性傳感器布置25、125可以暫時安裝在適當位置中。在下文描述的校準期間不需要探針16、116。
[0058]圖3示出慣性傳感器布置25或125的實例。該慣性傳感器布置包括三軸加速度計40，該三軸加速度計測量在三個正交軸方向Χ、Υ、Ζ上的線性加速度Ax、Ay、Az。獲取慣性傳感器的輸出用于控制器/計算機8、108。如下文所論述，這些輸出在離散信號處理電路或控制器/計算機中被雙重積分，以便給出X、Y、Z移位值。當然，慣性傳感器的其它布置也是可能的。例如，三軸加速度計40可以由三個單軸線性加速度計替代。
[0059]如下文更詳細地論述，慣性傳感器布置的位置取決于機器的結(jié)構(gòu)的剛度。對于給定準確度要求，所選擇的安裝位置應處于可移動結(jié)構(gòu)上充分接近變換器的位置處，使得其可以被看成以機械方式剛性耦合到機器的位置測量系統(tǒng)的變換器(例如，編碼器)變換可移動結(jié)構(gòu)的運動所處的點。在一些情況下，具體來說在相對低剛度的串聯(lián)動態(tài)機器中，替代地，可以優(yōu)選地將一個或多個慣性傳感器布置安裝在與測量機器的x、Y、z運動的相應變換器相關聯(lián)的位置中。圖2示出安裝在可移動橋結(jié)構(gòu)124上的與測量橋的Y軸運動的變換器128結(jié)合的慣性傳感器150。類似考量適用于可以與X和Z軸變換器相關聯(lián)地設置的慣性傳感器布置(未示出)。
[0060]與運動的一個特定軸有關的慣性傳感器布置(例如，150)可以僅包括與所關心的運動軸對準的僅一個單軸線性加速度計。這將實現(xiàn)靜態(tài)誤差(例如，刻度尺誤差)的校準。然而，如果需要校準此運動軸的其它靜態(tài)誤差(包含相對于另兩個軸的筆直性誤差)，則可以提供三軸加速度計布置。
[0061]可以使用能夠測量可移動結(jié)構(gòu)的加速度的任何類型的加速度計。一種合適類型的加速度計由經(jīng)微加工的硅制成。另一種包括支持自由塊的壓電晶體。還可以使用電容加速度計。
[0062]使用加速度計(或其它慣性傳感器)的原始輸出測量到的移位可能不準確。具體而言，移位的測量可能受靜態(tài)尺度誤差的影響。因此，在一個優(yōu)選方法中，對照外部參考標準直接校準此測量到的移位。這是因為其用于機器的位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差的后續(xù)校正。加速度計數(shù)據(jù)可以在更準確的外部CMM上校準，例如，在外部CMM上使用在第6868356(奈(Nai)等人)號美國專利中描述的方法?；蛘撸铀俣扔嫈?shù)據(jù)可以由史瓦維科A.史匹瓦克(Swavik A.Spiewak)如以下文獻所描述進行校準:“用于平面運動的多功能慣性移位傳感器(Versatile Inertial Displacement Sensor for Planar Mot1n)，，，關于MEMS、NAN0和智能系統(tǒng)的2005年國際會議的會議記錄(ICMENS’05)，第463至466頁。
[0063]然而，作為慣性傳感器的此直接校準的替代方案，稍后描述如何可以間接獲得相同效果。
[0064]圖4至7說明用于校準圖1或圖2中的機器的靜態(tài)誤差的方法，其中慣性傳感器布置25、125安裝在可移動平臺32(圖1)或可移動套管軸118(圖2)上。如上文和下文所論述，慣性傳感器布置的此安裝位置假定機器的結(jié)構(gòu)相對于所需測量準確度足夠剛性(硬性)。當傳感器150與個別軸X、Y、Z相關聯(lián)時該方法可以按需要容易地進行修改。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選校準方法要求機器是有執(zhí)行力的，使得慣性傳感器布置25、125完成使其在某一距離d上移位的運動。隨后此移位d通過待校準的位置測量系統(tǒng)和慣性傳感器布置兩者來測量，并且比較結(jié)果。
[0066]如在圖4中的步驟50中示出以及在圖5中圖解示出，控制器/計算機8、108經(jīng)編程以使平臺32或套管軸118描述在X-Y平面中圍繞位置X1、Yj、Zk居中的的小圓52。這有效地為在X方向和Y方向兩者上的振蕩，其中振幅(在此實例中，移位的量值d)對應于圓的直徑。當然，替代地可以使用單獨地在每一方向上的簡單振蕩，例如，使用與個別軸X、Y、Z相關聯(lián)的傳感器150。盡管不是優(yōu)選的，但是也可以設想通過在移位的每個末端處開始和停止而執(zhí)行在對應距離d上的簡單線性移位。
[0067]下文將考慮由一個方向(例如，X)上的振蕩引起的移位。類似地處理在Y方向上的振蕩。此外，為了積累三維誤差映射，通過致使平臺32或套管軸118描述在X-Z和Y-Z平面中的類似圓，即在位置XnYpZk處得出且隨后(例如，在下文論述的平均化步驟68期間)可以組合的用于每個方向X、Y、Z的兩組振蕩數(shù)據(jù)而重復振蕩。
[0068]在步驟54中，移位(振蕩的幅度)量d的值通過位置測量系統(tǒng)的對應變換器(例如，圖2中的編碼器(例如128))測量到，或者從致動器36(圖1)中的編碼器計算出。
[0069]移位(振蕩的幅度)量d的值還同時在步驟56和58中通過慣性傳感器系統(tǒng)測量到。在步驟56中，從加速度計40確定平臺32或套管軸118的加速度(三個平移加速度Ax、Ay、Az)。隨后在步驟58中雙重積分加速度以得到移位的量d。步驟58還可以包含加速度信號的進一步處理(例如，高通濾波)以清除偏移。
[0070]隨后在步驟70中比較通過編碼器(位置測量系統(tǒng))和慣性傳感器測量的移位d。這會產(chǎn)生差值，該差值如下文所論述表示在X方向上的移位d的距離內(nèi)，由位置測量系統(tǒng)在位置H、Zk處的測量的靜態(tài)誤差。暫時存儲此差值。
[0071]盡管一個循環(huán)可能足夠，但是優(yōu)選地將步驟50中的振蕩(例如，圓形運動52)重復多個循環(huán)。這使由編碼器(步驟54)和慣性傳感器(步驟56、58)對移位d的測量能夠重復多次，例如，重復10次。對于每次重復，比較d的測量值并且暫時存儲差值(步驟70)。在重復合適數(shù)目之后，將差值平均化(步驟68)以提高準確度。
[0072]作為一個替代方案，可以單獨地將通過編碼器的移位d的多個測量值(步驟54)平均化。同樣地，單獨地將使用慣性傳感器系統(tǒng)(步驟56和58)的多個移位測量值d平均化。隨后比較這兩個平均值以產(chǎn)生平均差值。
[0073]在步驟72中，從經(jīng)平均的差值中計算出位置XnYpZk的誤差比例因數(shù)?？刂破?計算機8、108將誤差比例因數(shù)存儲于表中。此比例因數(shù)表示在位置X1、乃、Zk處移位d每單位距尚的誤差。例如，如果d是1mm并且差值(d的誤差)是10pm，則比例因數(shù)是(10ym/10mm) = 1μm/mm ο
[0074]如上所述，針對X-Z平面和Y-Z平面中的圓形運動或針對Y方向和Z方向上的振蕩重復圖4和5中示出的程序。這提供位置X1、Yj、Zk處在方向X、Y、Z中的每一個方向上的誤差比例因數(shù)。
[0075]接下來在機器的整個三維工作容積中在多個其它位置X1、Yj、Zk處重復以上程序。例如，如圖6示出，這些位置XnYpZk可以位于規(guī)則的三維網(wǎng)格圖案中。網(wǎng)格間隔不一定與移位d的大小(圓52的直徑或振蕩的幅度)相同。例如，移位d可以是1mm并且位置X1、Yj、Zk的網(wǎng)格間隔可以是25mm?？刂破?計算機目前已經(jīng)具有網(wǎng)格中的每個位置XnYpZk在X、Y和Z方向上的誤差比例因數(shù)的存儲表。
[0076]移位d以及位置XnYpZk的間隔的大小是可以由技術人員選擇的折衷。例如，如果移位d的大小較小(例如，Imm)而網(wǎng)格間隔對應地較小，則所得誤差信息的密度更大。這意味著如果誤差在機器的工作容積內(nèi)的位置之間顯著改變，則可以獲得更準確結(jié)果。然而，需要更多時間來產(chǎn)生數(shù)據(jù)。如果預期誤差改變得較不顯著，則因此移位d的大小和位置Xn YpZk的間隔的此減少可以不是優(yōu)選的。
[0077]如上文所提及，慣性傳感器布置25、125在可移動平臺32或套管軸118上的安裝位置假定機器的結(jié)構(gòu)相對于所需測量準確度足夠剛性。具體來說，安裝位置優(yōu)選地進行選擇(相對于所需測量準確度)，使得慣性傳感器布置可以被認為剛性地耦合到位置測量系統(tǒng)的變換器(編碼器)變換運動所處的點，并且使得慣性傳感器相對不受動態(tài)誤差的影響。也就是說，使得與待校正的位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差相比，任何動態(tài)誤差較小。慣性傳感器因此受到與位置測量系統(tǒng)變換器相同的移位影響。實際上，在相對小移位d上，慣性傳感器與機器的位置測量系統(tǒng)的編碼器相比能夠提供靜態(tài)位置的更準確測量。在圖4的步驟70和68中產(chǎn)生的差值因此是機器的位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差的測量。慣性傳感器因此可以用于校準位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。
[0078]在考慮慣性傳感器與變換器之間的機械耦合是否足夠剛性時，應相對于機器結(jié)構(gòu)的自然模式和振動頻率、機器組件在校準期間移動的速度以及校準的準確度要求來考慮機器結(jié)構(gòu)的剛度。甚至在具有相對較低剛度的結(jié)構(gòu)(例如，圖2的串聯(lián)動態(tài)系統(tǒng))的情況下，如果系統(tǒng)的校準以低速度和低加速度發(fā)生(對應于相對于結(jié)構(gòu)的自然振動頻率的低頻率)，則該結(jié)構(gòu)可以被認為足夠硬性。隨后，在校準期間在套管軸118處經(jīng)歷的動態(tài)誤差可以小于待校正的靜態(tài)誤差。優(yōu)選地，這些動態(tài)誤差小到在與靜態(tài)誤差相比時可忽略。慣性傳感器因此可以在125處一起安裝在套管軸上，而不是單獨地在150處與相應X、Y和Z軸變換器128結(jié)合。
[0079]應了解，所需剛度程度是例如圖1中看到的并聯(lián)動態(tài)機器的自然特性。在如圖2中的串聯(lián)動態(tài)機器的情況下，所需剛度程度取決于機器的構(gòu)造。一些CMM可能不夠剛性，但是具有更大、更剛性組件的串聯(lián)連接機器(例如，機械工具)可能足夠剛性。
[0080]在機器的剛性不足夠的情況下，本發(fā)明仍可以通過安裝在位置150處的慣性傳感器來使用，其中這些慣性傳感器以足夠剛度耦合到變換器150變換Y軸運動所處的點。
[0081]接下來需要產(chǎn)生誤差映射，該誤差映射提供由位置測量系統(tǒng)在任何給定位置XhYj、Zk處相對于任意起點O進行的測量的靜態(tài)誤差。如圖6中所看到，當機器從起點O移動到網(wǎng)格中的任何給定位置時，這涉及在三個維度上移動穿過多個中間位置XnYpZk。移動穿過這些中間位置中的每一個涉及取決于網(wǎng)格的間隔在方向X、Y、Z中的每一個方向上的對應中間移位。在每個中間位置處，可以計算出在該中間移位上發(fā)生的局部Χ、Υ、Ζ靜態(tài)誤差。這通過將在方向Χ、γ和Z上的中間移位乘以對應Χ、Υ和Z比例誤差因數(shù)來完成，控制器/計算機先前已在步驟72中針對對應中間位置X1、Yj、Zk存儲該比例誤差因數(shù)。
[0082]因此，為了構(gòu)建誤差映射，控制器/計算機8、108執(zhí)行圖7中所示的例程。三個嵌套循環(huán)74、98;76、96;以及78、94逐步穿過機器的工作容積的網(wǎng)格中的每個點乂^￥」、21{(8卩，從Xo、Yq、Zq到Χη、Υη、Ζη)。(這假定網(wǎng)格是規(guī)則(η χ η χ η)立方體;嵌套循環(huán)可以容易地被延展用于不規(guī)則長方體網(wǎng)格。)
[0083]對于機器的工作容積內(nèi)的每一位置XnY^Zk,計算機計算三維累積靜態(tài)誤差值。這是通過將在起點O與當前位置Xh YpZk之間的所有中間位置處的移位的所有中間靜態(tài)誤差值相加到一起來實現(xiàn)的。
[0084]步驟80通過將網(wǎng)格間隔乘以對應的所存儲Χ、Υ和Z比例因數(shù)來計算在Χ、Υ和Z方向上在X1、Yj、Zk處的局部誤差。在步驟82中，通過將局部X誤差值與在X方向(X1-^YhZk)上的前述位置的累積靜態(tài)誤差值相加而將該局部X誤差值積分成累積靜態(tài)誤差值。結(jié)果在步驟84中存儲為位置X1、Yj、Zk的新的累積誤差值。此過程在步驟86、88以及在步驟90、92中重復，以分別從Y和Z方向上的前述位置XhYj-^Zk和X1、Yj、Zk-1產(chǎn)生X1、Yj、Zk處的Y和Z校正值。該過程在環(huán)路中重復以獲得網(wǎng)格中的所有位置以及所有其它中間位置HZk(參見于圖6)的X、Y和Z校正值。
[0085]這提供誤差映射，包括由位置測量系統(tǒng)(編碼器)在機器的工作容積中的任何位置XnYpZk處進行的測量的靜態(tài)誤差的Χ、Υ、Ζ校正值。校正值可以存儲于查詢表中。在正常使用機器以測量工件的期間，這些校正適用于進行的測量。
[0086]如上文所描述，使用慣性傳感器測量的移位在必要時可以對照外部參考標準針對靜態(tài)誤差直接進行校準。然而，作為此直接校準的更簡單替代方案，可以替代地使用以下間接方法。
[0087]通過機器的位置測量系統(tǒng)進行的移位測量的靜態(tài)誤差通常將在機器的工作容積內(nèi)的位置之間不同。然而，可以假定使用慣性傳感器進行的移位測量的任何靜態(tài)誤差是可復驗的并且不會在位置之間不同。因此，如果未校正，則慣性傳感器測量的靜態(tài)誤差可以僅作為X、Y和Z的固定乘數(shù)出現(xiàn)。這些乘數(shù)會影響在步驟70和68(圖4)中產(chǎn)生的差值;在步驟72中計算出的誤差比例因數(shù);以及在圖7中產(chǎn)生的誤差映射中的校正值。
[0088]為了校正慣性傳感器測量的這些靜態(tài)誤差，例如量塊或環(huán)規(guī)或參考球體等的經(jīng)校準參考標準放置于機器的工作臺12、112上。使用探針16、116在每一個維度Χ、Υ、Ζ上測量該經(jīng)校準參考標準。這適當?shù)卦谝言趫D7中產(chǎn)生誤差映射之后完成。參考標準的Χ、Υ、Ζ測量使用誤差映射校正，并且隨后與參考標準的已知經(jīng)校準Χ、Υ、Ζ維度比較。這提供合適的Χ、Υ、Ζ乘數(shù)。誤差映射中的所有校正值通過對應乘數(shù)校正，或者在由誤差映射校正之后乘數(shù)應用于所有后續(xù)測量。
[0089]替代地，可以通過合適的乘數(shù)在步驟68、70中校正差值或在步驟72中校正誤差比例因數(shù)。
[0090]作為校正值的誤差映射的替代方案，計算機可以替代地構(gòu)建一組誤差函數(shù)，用于每當在位置XhYpZk處進行工件的測量時獲得校正值。誤差函數(shù)可以存儲為(例如)傅里葉系數(shù)。
[0091]在測量工件的機器的正常使用期間，不需要慣性傳感器布置。該慣性傳感器布置因此可以容納于模塊中，該模塊在校準之后從機器拆除并且還可以在校準其它機器時使用。
[0092]上文已相對于機動化機器描述本發(fā)明的實施例，該機動化機器的移動可以由計算機或控制器編程和控制。圖8示出適用于手動操作機器的替代實施例。舉例來說，示出類似于圖1的并聯(lián)動態(tài)機器210的一部分，其具有平臺232和可延展且可伸縮的支柱234。然而，此手動機器不具有電動機，致動器36僅由變換器(未示出)替代，以測量每個相應支柱的延展。在正常使用時，測量探針或其它工具(未示出)被裝配到平臺232?？梢允褂闷渌謩訖C器，例如，如圖2中的串聯(lián)機器或具有串聯(lián)連接的旋轉(zhuǎn)接頭的坐標測量關節(jié)臂。
[0093]在使用之前，通過與上文相同的方式執(zhí)行校準，例如，其中探針或工具被拆除。桿200暫時將平臺232連接到機動化工件臺204的可移動部分202。部分202在連接到工件臺204的計算機208的控制下在Χ、Υ和Z方向上可移動。工件臺204隨后可以在計算機208的控制下在Χ、Υ和Z方向上拖曳平臺232。
[0094]慣性傳感器布置206設置于工件臺的可移動部分202上(或者該慣性傳感器布置可以被臨時裝配到平臺232)。這類似于圖1和2中的慣性傳感器布置25、125。計算機208經(jīng)編程以執(zhí)行上述校準，從而將使用慣性傳感器布置208的輸出進行的移位測量與使用手動機器210的變換器進行的測量相比較。產(chǎn)生誤差映射或誤差函數(shù)以通過與上述類似的方式校正機器的靜態(tài)誤差。
【主權(quán)項】
1.一種校準運動系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差的方法，所述系統(tǒng)包括: 相對固定部件和相對可移動部件；以及 位置測量系統(tǒng)，用于確定所述可移動部件相對于所述固定部件的位置，所述確定易受靜態(tài)誤差影響； 所述方法包括: 提供一個或多個慣性傳感器，所述慣性傳感器被布置成與所述可移動部件一起移動且測量所述可移動部件的移位； 促使所述可移動部件相對于所述固定部件的移位； 使用一個或多個所述慣性傳感器確定關于所述移位的值； 使用所述位置測量系統(tǒng)確定關于所述移位的值；以及 對使用所述位置測量系統(tǒng)所確定的關于所述移位的值與使用一個或多個所述慣性傳感器所確定的關于所述移位的值進行比較； 其中: 所述比較產(chǎn)生的差值用于所述位置測量系統(tǒng)的一個或多個靜態(tài)誤差的后續(xù)校正。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，與所述位置測量系統(tǒng)相比，使用一個或多個所述慣性傳感器所確定的關于所述移位的值受靜態(tài)誤差影響更小。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，對照所述運動系統(tǒng)外部的參考標準來對使用一個或多個所述慣性傳感器所確定的關于所述移位的值進行校準。4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其包含:通過所述運動系統(tǒng)上的參考標準的測量，來校正使用一個或多個所述慣性傳感器所確定的關于所述移位的值的靜態(tài)誤差。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，與所述位置測量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差相比，所述慣性傳感器的測量中的任何動態(tài)誤差都更小。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，所述慣性傳感器安裝在所述運動系統(tǒng)的一部分處，所述運動系統(tǒng)的一部分以機械方式耦合到所述位置測量系統(tǒng)的變換器變換其運動處的點;所述機械耦合足夠剛性以確保使用所述慣性傳感器進行的測量的任何動態(tài)誤差，與所述位置測量系統(tǒng)的所述靜態(tài)誤差相比，都較小。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，所述可移動部件在所述校準期間的移位是在某一頻率下的振蕩，其中在所述某一頻率下所述系統(tǒng)的機械頻率響應確保所述機械耦合足夠剛性。8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，所述一個或多個慣性傳感器包含一個或多個加速度計。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，由所述一個或多個加速度計確定的移位的量通過雙重積分加速度計輸出來獲得。10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，所述可移動部件在相對較大范圍內(nèi)可移動;并且，確定與關于所述可移動部件的移位的值的步驟，在相對較小范圍內(nèi)進行。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，通過所述可移動部件的振蕩產(chǎn)生在所述較小范圍內(nèi)的移位。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，在所述振蕩期間重復與關于所述可移動部件的移位的值的所述確定，并且從所重復的所述確定來平均化所述差值。13.根據(jù)權(quán)利要求7、權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，通過所述可移動部件的圓形運動產(chǎn)生所述振蕩。14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，對在所述固定部件和所述可移動部件的多個相對位置處引起的移位產(chǎn)生相應的差值，并且所述差值用于形成所述運動系統(tǒng)的所述靜態(tài)誤差的誤差映射或誤差函數(shù)。15.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，在所述固定部件和所述可移動部件的多個不同相對位置處重復使所述可移動部件在較小范圍內(nèi)移位的步驟以及確定關于其移位的所述值的步驟，以產(chǎn)生關于每個位置的相應的差值。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，通過對在相對較大范圍內(nèi)的位置上的多個所述差值進行積分來計算在所述可移動部件的相對較大移動范圍內(nèi)的使用所述位置測量系統(tǒng)作出的位置測量的累積誤差。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的校準靜態(tài)誤差的方法，其中，獲得誤差映射或誤差函數(shù)，從而提供所述可移動部件的多個位置中的每一個位置的相應的累積誤差。18.—種使用運動系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括:相對固定部件，相對可移動部件以及用于確定所述可移動部件相對于所述固定部件的位置的位置測量系統(tǒng)，所述確定受靜態(tài)誤差影響； 所述方法包括: 使用所述位置測量系統(tǒng)確定所述可移動部件相對于所述固定部件的位置；以及 通過應用校正來校正所確定的所述可移動部件的位置的靜態(tài)誤差，所述校正是根據(jù)如權(quán)利要求1至17中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法所獲得的誤差值或差映射或誤差函數(shù)而推出的。19.一種運動系統(tǒng)，其包括:相對固定部件，相對可移動部件以及用于確定所述可移動部件相對于所述固定部件的位置的位置測量系統(tǒng)，所述確定受靜態(tài)誤差影響； 其中所述系統(tǒng)進一步包括經(jīng)配置以執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法的控制器或計算機。20.—種運動系統(tǒng)，其包括:相對固定部件；相對可移動部件；以及用于確定所述可移動部件相對于所述固定部件的位置的位置測量系統(tǒng)，所述確定受靜態(tài)誤差影響； 其中所述系統(tǒng)進一步包括控制器或計算機，在所述控制器或計算機中存儲通過根據(jù)權(quán)利要求I至17中任一權(quán)利要求所述的校準靜態(tài)誤差的方法獲得的差值或誤差映射或誤差函數(shù)，和/或所述控制器或計算機經(jīng)配置以執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求18所述的使用方法。21.根據(jù)權(quán)利要求19或權(quán)利要求20所述的運動系統(tǒng)，其中，所述慣性傳感器可從所述可移動部件中拆除。22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一權(quán)利要求所述的運動系統(tǒng)，其中，所述可移動部件通過并聯(lián)動態(tài)結(jié)構(gòu)連接到所述固定部件。23.根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一權(quán)利要求所述的運動系統(tǒng)，其包含用于測量工件的探針，所述探針安裝到所述可移動部件。
【文檔編號】G01B21/04GK105960571SQ201480074783
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2014年12月5日
【發(fā)明人】凱文·巴里·喬納斯
【申請人】瑞尼斯豪公司