[发明专利]使用光学投影参考的定位仪设备和方法

说明书

导出用于校准或改善计算机控制的机器的定位的数据，该机器包括用于相对于第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置的可移动托架。该托架移动到多个托架位置，使得对于多个位置中的每个位置，第一机器部件相对于第二机器部件的位置改变。在每个托架位置，附接到第一机器部件的图案生成器用至少两个照明器照明，使得在空间中产生至少一个空间光图案。记录与所述托架的位置相关的位置数据，并且所述至少一个空间光图案的合成图像记录在所述至少两个照明器、所述图案生成器和至少一个相机的至少两种不同光学配置中。将所述记录的合成图像的图像数据与参考数据库的参考图像数据进行比较，该参考数据库包括与图案生成器的空间光图案相关的相关图像和位置数据，并且找到相似图像对。为每对相似图像导出图像平移偏移数据，并且基于与多个不同光学配置相关的图像平移偏移数据，导出平移和旋转数据，用于校准或改善计算机控制的机器的定位。

技术领域

本发明涉及用于在计算机控制的机器内寻找精确平移和旋转的装置和方法的领域，该计算机控制的机器例如是机床、光机械测量装置、坐标测量机(CMM)、机器人以及位置编码器。更具体地，本发明涉及在多个机器部件位置的刚体平移和旋转校准或者这种装置内的同时平移和旋转读数。

背景技术

参考XYZ坐标轴，部件的平移在下文中是指该部件上特定位置的X、Y、Z坐标。同一部件的旋转是指该部件的Rx、Ry、Rz旋转角度，其中，Rx、Ry和Rz分别指围绕给定的X、Y和Z轴的旋转角度。从更广的意义上说，部件的位置是指部件的平移和旋转的组合、平移或旋转。通常，上述机器使用平移读取装置，即所谓的编码器，来读取机器的不同部件的准确平移。例如，如果这种机器被构造成具有三个平移自由度XYZ和一个旋转自由度θ，则线性编码器被放置在三个相应的X、Y和Z托架的每一个上，并且角度编码器被放置在机器的θ托架的旋转轴上。然而，这些编码器通常位于远离机器的工作区域(或工作空间)的位置；否则编码器会与机器的工作区域操作发生冲突。因此，为了确定特定机器部件或工具在所述工作空间中的平移，需要根据相应编码器进行的测量来确定几个机器部件的平移和旋转。通过使用几何信息并基于所述测量进行几何计算，导出所述特定机器部件的平移和旋转，或者通常导出位于机器的工作空间中的工具的平移和旋转。然而，机械不规则性、间隙和/或机械游隙会影响机器部件的运动。因此，编码器读取位置和工作区域操作位置之间的平移和旋转偏移引入了与每个相应自由度相关联的难以测量的偏移，在所述几何计算中没有考虑其偏移，并且这又导致确定的机器部件位置的一定程度的不确定性和误差。

为了测量和校准例如机床、光机械装置和编码器的3D(三维)定位，通常使用所谓的触摸探头。触摸探头可以安装在机床刀架上，并且为了测量的目的，可以移动触摸类似钢球或钢棒的量规的校准位置。这是一个耗时的逐点过程，并且需要安装和使用昂贵的尺寸校准量规。

通常，编码器测量沿着杆的1D(一维)平移，或者，为了读取旋转角度，测量旋转轴外围的1D旋转。对于刚体的6个(3个平移+3个旋转)可能的机械自由度中的一些或全部，扩展相同的过程来同时读取平移和旋转两者可能是复杂和昂贵的。目前的编码器也由于精度限制，可能不太适合于读取例如沿着两个杆的平移之间的差异，并且可能将这些差异平移外推为到达远在杆之外的位置的平移值。

在文献中，例如，Christopher J.Dainty编辑在Laser Speckle and RelatedPhenomena,Springer Verlag,Berlin 1974中，描述了一系列所谓的散斑摄影和散斑干涉技术。这些技术的主要焦点是物体内部变形和表面形貌的测量。散斑摄影技术不能测量3D空间中多个部件位置的局部平移和旋转角度偏移。相应地，并且此外，干涉测量技术对振动敏感，并且在许多情况下不太适合工业应用。

稍后，例如，Ichirou Yamaguchi等人在应用光学，第28卷，第20期，1989年10月15日和Vijay Shilpiekandula在他的硕士论文，麻省理工学院，2004年2月中，描述了如何使用散焦或聚焦的相机通过使用例如相机记录散斑位移来制作旋转角度读取编码器。该技术还缺乏在3D空间中多个部件位置处测量局部平移和旋转偏移的能力。