[发明专利]用于提供指定点的静态和动态位置信息的方法和测量装置

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于对测量装置的指定点的位置进行建模的方法以及适合于执行这种方法的测量装置。

背景技术

在本发明的情况下，参考测量装置，该测量装置提供至少一个机器部件相对于一个或更多个其他机器零部件(例如，装置的基座)的定位能力。这种测量装置例如是用于操纵和/或用于测量工件的机器人装置或用于检查工件的坐标测量设备。

通常的实践是在生产之后在诸如坐标测量机器(CMM)之类的坐标定位设备上检查工件，以便对预定对象参数(例如对象的尺寸和形状)的正确性进行检查。

在常规的3D坐标测量机器中，探针头被支撑成沿着三个相互垂直的轴(在方向X、Y和Z上)运动。由此，可以将探针头引导到坐标测量机器的测量容积的空间内的任意一点，并且可利用探针头承载的测量传感器(探针)测量对象。

在机器的一个简单形式中，与每个轴平行地安装的合适换能器能够确定探针头相对于机器的基座的位置，并因此确定被传感器接近的对象上的测量点的坐标。为了提供探针头的可运动性，典型的坐标测量机器可以包括在上面布置探针头的框架结构以及用于使框架结构的框架部件相对于彼此运动的驱动装置。

为了测量表面变化，既已知基于使用触觉传感器的测量原理，又已知基于使用光学传感器的测量原理。

一般来说，为了给坐标测量机器提供改进的测量精度，因此通常将其框架结构设计成具有高静态刚度。为了实现刚性且刚硬的机器设计，框架结构或至少其零部件经常由石头(诸如花岗岩)制成。除了诸如热稳定性和良好的阻尼特性之类的所有积极作用之外，花岗岩还使得机器和可动框架元素非常沉重。另一侧的大重量对适当的加速度来说也需要大的力。

如果采用这种技术，仍存在若干个可能的误差源。当相对于另一个部件移动一个框架部件时机器零部件的共振或振动恰好是动态误差的两个示例。另外，可能发生静态误差，诸如缺少运动直线度、缺少轴的正交性或线性驱动机构的侧向偏移。

根据许多解决方案，上述误差仅被静态地分析，尽管它们还包括取决于轴的运动(具体取决于将轴移动时的位置、速度、加速度和加加速度)的动态因素。在根据速度进行校准的情况下，该事实被以一种相当简单且不灵活的方式考虑。虽然静态误差能够通过使用位置校准矩阵而在数字上减少，但是当试图补偿动态误差时事情变得更加复杂。

当考虑到动态误差(诸如上述振动或共振或动态力)时，校准变得甚至更复杂。这些误差不仅会影响发生这些误差的轴，而且还会“串扰”其他轴，并在系统的其他零部件中产生误差。此外，根本影响可能还取决于环境条件，例如温度、湿度、气压等，并且这些影响特别地还会在机器的整个寿命期间发生变化。

在这种情况下，例如，必须考虑到机器的一个轴的加速度(其可能会移动另外的垂直轴和探针头)可能导致坐标测量机器的整个框架发生线性动态挠曲和角度动态挠曲，这又导致测量不确定性和误差。这些动态测量误差可以通过以低加速度进行测量例如通过期望运动的因此优化的轨迹来减少。

已知的解决方案尝试通过被称为输入整形的技术来抑制由机器的加速度引起的挠曲、振动和/或振荡，该技术控制调节变量(例如推进马达的力或电流)，从而回避机械共振，并避免由于向驱动启动器控制的输出上的被相应操纵的变量引起的共振频率或甚至作用的反力振荡的刺激。

还可以作为一种控制形式向CMM应用模型预测控制，在该控制形式中，使用设备的当前状态作为初始状态，通过在每个采样时刻解决有限界(finite horizon)开环最优控制问题而获得当前控制动作。该最优化产生最优控制序列，然后将该序列中的第一控制施加至该设备。

作为误差处理的示例，EP 1 559 990公开了一种校准在坐标测量机器中测量的坐标的坐标测量系统和方法，从而在具有各种重量的零部件被安装在坐标测量机器上的同时测量几何误差。补偿参数从按照零部件重量测量的结果推导出并被存储。与待测量的零部件的重量对应的补偿参数被适当地读出以校正待测量的零部件的测量坐标。

作为另一示例，EP 1 687 589公开了一种坐标测量机器中的误差补偿方法，该坐标测量机器具有铰接探针头，该探针头具有表面检测装置。该表面检测装置在测量过程中围绕铰接探针头的至少一个轴线旋转。该方法包括如下步骤：确定设备的整体或部分的刚度；确定一个或多个因素，所述因素与在任意特定时刻由铰接探针头施加的负载有关；以及确定由该负载在表面感测装置处引起的测量误差。