專利名稱：移動裝置的位置誤差評價方法和根據(jù)其評價結(jié)果改善移動精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及評價移動物體如測頭或刀具的位置誤差的方法和利用評價方法改善位置精度的方法，它被用于在三個相互垂直的軸線方向移動測頭的三維坐標(biāo)測量裝置或在相互垂直的二軸或三軸線方向移動刀具的移動裝置如機床內(nèi)。
背景技術(shù)：
隨著自動高精度機械加工的發(fā)展，三維坐標(biāo)測量裝置必須具有評價尺寸精度和形狀精度的功能，這在生產(chǎn)線和生產(chǎn)系統(tǒng)中是不可缺少的。其間借助于作為硬件的三維測量裝置使測量精度高于現(xiàn)有水平除了在制造技術(shù)上增加難度之外還增加制造成本。因此，近幾年，已嘗試通過在其裝運方面保持裝置的精度及測頭的修正移動，改善作為裝置基本性能的測量精度。
然而，測頭移動的傳統(tǒng)修正是在測頭移動某一間隔時獲得確定的累積誤差，而隨后與間隔成比例地分配該誤差。因此，傳統(tǒng)修正不是通過在間隔內(nèi)控制測頭的移動誤差來執(zhí)行修正的。用隨后所述的事實表示上述內(nèi)容。即，在目前的狀況下，移動誤差的自我評價方法是處在以如圖12所示的球板的方式評價和比較測量裝置誤差的階段，作為精度標(biāo)準(zhǔn)并由世界主要組織(World′s leading organizations)普通采用的球板如圖13所示通過由研究標(biāo)準(zhǔn)方法的世界主要組織所具有的三維測量裝置所測量。
順便地說，該球板十分昂貴且相當(dāng)重。因此，不易操縱。此外，在采用球板的測試中，其結(jié)果未能達到如可以規(guī)定三維測量裝置誤差特性那樣獲取系統(tǒng)結(jié)果的那樣。注意圖14(a)和14(b)是展示球板誤差測量結(jié)果的例子。圖14(a)利用線條表示誤差的方向和大?。粓D14(b)用網(wǎng)格的變形表示測量平面內(nèi)的誤差。為了通過將球板固定于空間規(guī)定的位置獲得測頭在三個軸線方向的位置誤差，必須重復(fù)難于操縱的球板高精度定位調(diào)節(jié)，上述操作實際上很難實現(xiàn)，并且極難獲得前述的誤差空間。
盡管未獲得空間誤差，可用于實際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)誤差校驗方法列舉如下采用圖15所示的標(biāo)準(zhǔn)塊的光步規(guī)方法；利用普通塊規(guī)的方法；利用圖16所示的測試棒方法；利用圖17所示的自動準(zhǔn)直儀方法和利用圖18所示的激光測量裝置的方法。然而，在常用的方法中，如上述的分別利用測試棒的方法、利用準(zhǔn)直儀、激光測量裝置、球板及采用標(biāo)準(zhǔn)塊的光步規(guī)的方法，或如圖19(a)和圖19(b)所示的反相的方法，都存在其調(diào)節(jié)花費時間長，自動評價難以執(zhí)行及測量裝置的精度難以維持的問題。
同時，就機床而言，除了自動準(zhǔn)直儀和直尺外，激光測量裝置被用于評價刀尖的移動精度。然而，實際上，由于下述原因和類似的理由，利用上述方法難以獲得誤差空間。具體地，裝置的配置和調(diào)節(jié)需要時間，即使該裝置適于評價工件的精度也不會用作刀具移動的評價，而且裝置識別在空間預(yù)定位置三個軸線方向的誤差，需要太多的工作和時間。
前文所采用的各種方法其中預(yù)定的條件根據(jù)評價精度被給出。然而，從適用性、生產(chǎn)率、價格和類似的相關(guān)測量結(jié)果來看，上述裝置未必適用于各種功能或適于標(biāo)準(zhǔn)裝置。因此，以誤差空間由傳統(tǒng)方法來評價并作為基本誤差特性設(shè)定修正的目標(biāo)這樣的方式，實際上借助于修正測頭的移動難以實現(xiàn)在裝置精度方面的改進，并且硬件的功能被固定于某一水平。
順便地說，本申請的發(fā)明人已在文章“Trend of StraightnessMeasuring Method and Development of Sequential Two-point Method(直線測量方法的趨勢和連續(xù)兩點法的發(fā)展)”中提出一種利用連續(xù)兩點法測量直線誤差的方法，它在東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)院1982年6月出版的“產(chǎn)品研究”第34卷第6期25-34頁中提出過。連續(xù)二點法是用于獲取要彼此同時及獨立地測量的刀具臺直線移動誤差和一個物體表面的直線誤差的方法。具體地連續(xù)二點法以下列方式被進行以一個間隙排列在刀具臺上的二個位移傳感器在間隙的方向上以等于間隙的間距被移動，而同時，關(guān)于要被測量的物體表面測量每個位移傳感器的位移量，并因此由二個位移傳感器位移量的數(shù)據(jù)列獲得上述直線誤差。本申請的發(fā)明人通過連續(xù)二點法的申請對上述誤差的評價，已實現(xiàn)各項目的，即與傳統(tǒng)的方法如利用測試棒的方法，利用自動準(zhǔn)直儀、激光測量裝置，球板和采用標(biāo)準(zhǔn)塊的光步規(guī)的方法或如圖19(a)和19(b)所示的反相法相比，調(diào)節(jié)花費的時間更少，自動評價可以方便地執(zhí)行并且測量裝置的精度易于保持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種考慮上述連續(xù)二點法的特性，有益地解決傳統(tǒng)方法中問題的誤差測量方法。根據(jù)本發(fā)明一個移動裝置的位置誤差評價方法特征在于包括下列步驟。具體地，根據(jù)權(quán)利要求1規(guī)定的方法，在彼此垂直的二軸或三軸方向上移動可移動物體的移動裝置中，由連續(xù)二點法獲得在沿預(yù)定的二軸線方向中的一個軸方向表示可移動物體位置誤差的變化狀態(tài)的直線誤差曲線，它被重復(fù)用于預(yù)定二軸方向以外的其它單軸方向，該位置誤差涉及與二軸或三軸方向中預(yù)定的二軸方向正交的一個方向。隨后，根據(jù)多個已獲取的直線誤差曲線兩端的坐標(biāo)位置，獲得表示可移動物體的位置誤差沿其它單軸方向變化狀態(tài)的直線誤差曲線，該位置誤差與垂直于預(yù)定二軸方向的方向有關(guān)。在兩端坐標(biāo)位置上的直線誤差曲線被設(shè)置為邊界直線誤差曲線。此后，根據(jù)邊界直線誤差曲線，修正該組直線誤差曲線的排列，由此獲得誤差表面。最后，根據(jù)誤差表面，在包括預(yù)定二軸的平面上可移動物體的二維位置誤差被評價，該二維位置誤差與垂直于該平面的一個方向有關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明移動裝置的位置誤差評價方法，對于三維坐標(biāo)測量裝置和帶有測量半導(dǎo)體基片，用于液晶顯示裝置及類似裝置的玻璃基片的類似結(jié)構(gòu)裝置的誤差評價，測頭移動的直線誤差曲線和平面誤差表面可以被測量。此外，除了上述內(nèi)容外，連續(xù)二點法具有能同時測量要被測量的基片和類似物體誤差形狀的特性。根據(jù)本發(fā)明的方法，除了測量裝置，就移動裝置如機床而言，可以測量用于可移動物體如刀具臺移動誤差評價的直線誤差曲線和平面誤差表面。
應(yīng)注意到，根據(jù)本發(fā)明如權(quán)利要求2所規(guī)定的移動裝置位置誤差評價方法，在三個軸線方向的每個方向上的預(yù)定坐標(biāo)范圍內(nèi)，關(guān)于與包括預(yù)定二軸垂直的平面垂直的單軸方向，以重復(fù)權(quán)利要求1所規(guī)定的方法獲得誤差表面這樣的方式可以獲得誤差空間。此外，可以根據(jù)誤差空間，評價在預(yù)定坐標(biāo)范圍的空間內(nèi)可移動物體的三維位置誤差。
根據(jù)本發(fā)明的移動裝置位置誤差評價方法，在作為基礎(chǔ)將測頭直線移動誤差曲線看作可移動物體的時，如上所述，由連續(xù)二點法獲得誤差空間。因此關(guān)于測量誤差的性質(zhì)可以更詳細地被評價。根據(jù)本發(fā)明的方法，帶有由作為基礎(chǔ)的連續(xù)二點法所獲得的直線誤差曲線的誤差空間的識別，在下列各項中是最好的。具體地，誤差空間的識別作為空間是全面的，用于測量的測試儀或類似儀器的調(diào)節(jié)花費的時間更少，并且可以獲得對應(yīng)于坐標(biāo)軸的系統(tǒng)誤差。
此外，根據(jù)本發(fā)明如權(quán)利要求3所規(guī)定的移動裝置位置誤差評價方法，在已由連續(xù)二點法獲得的位置誤差的各個點中的一個中間點上，根據(jù)位置誤差的特性，一個位置誤差可以由一維或多維插入法獲得。
在上述方式中，在已由連續(xù)二點法獲得的位置誤差的多個點中的一個中間點上，由插入法獲得位置誤差。因此，即使由連續(xù)二點法獲得位置誤差的那些點在一定程度上被分隔，仍可以在那些點之間的某點上獲得位置誤差。因此，借助連續(xù)二點法可以增加測量的速度，并且可以在更短的時間內(nèi)獲取直線誤差曲線和誤差表面。
根據(jù)權(quán)利要求4，本發(fā)明一種改進移動裝置三維位置精度的方法，特征在于包括以下步驟在用于控制移動裝置操作的控制裝置中保持?jǐn)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示由權(quán)利要求2或3所規(guī)定的方法所獲得的誤差空間；并且在上述誤差空間的數(shù)據(jù)中利用補償誤差的修正關(guān)系式，修正由移動裝置所移動的可移動物體的位置。
根據(jù)本發(fā)明改進移動裝置三維位置精度的方法，如上所述，表示由連續(xù)二點法所獲得的誤差空間的數(shù)據(jù)被保持在控制裝置中，并且根據(jù)在控制裝置保存的數(shù)據(jù)，一種利用在誤差空間數(shù)據(jù)中補償誤差的修正關(guān)系式修正誤差的運動，通過比如控制裝置的CNC(計算機數(shù)控)功能提供給移動裝置。此外，作為裝置的實際功能，刀具的測量精度和移動精度的改進可以實現(xiàn)。因此，在借助設(shè)備的硬件配置改進精度到達價格升高不可避免的階段時，改進裝置的性能而抑制價格升高是可以預(yù)期的。
對于半導(dǎo)體基片，用于大尺寸圖象顯示裝置及類似裝置的玻璃基片，需要納米級的平面形狀的精度評價。對于上述精度評價，考慮采用使用機械平臺如工作臺的普通直角坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)測量裝置或采用旋轉(zhuǎn)工作臺的極坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)測量裝置。在上面的裝置中，通過硬件的修改可提高最大精度，從而實現(xiàn)所需要的測量精度和解決方案。因此，通過對上述裝置引進連續(xù)二點測量法并通過對其應(yīng)用本發(fā)明的方法，更高精度的功能可以提供給按傳統(tǒng)方法的思想產(chǎn)生的測量裝置。此外，其作用在于生產(chǎn)技術(shù)方面改進了加工精度。
應(yīng)注意到，在本發(fā)明的位置誤差評價方法被應(yīng)用于極坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)測量裝置時，取代彼此正交的三個軸的，是可以使用彼此正交的二個軸和繞該二軸中的一個軸的旋轉(zhuǎn)角。在上述情況下，沿直角坐標(biāo)系移動一個位移傳感器所測量的位置誤差數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系。同時，通過沿著極坐標(biāo)系徑向和周向移動位移傳感器可以直接獲得位置誤差數(shù)據(jù)。
此外，在本發(fā)明改進如權(quán)利要求5所規(guī)定的移動裝置三維位置精度的方法中，通過圍繞移動裝置周圍環(huán)境的變化預(yù)先獲得誤差空間數(shù)據(jù)和通過在對應(yīng)于使用中的移動裝置周圍環(huán)境的誤差空間數(shù)據(jù)中利用補償誤差的修正關(guān)系式，可以根據(jù)采用的移動裝置修正由移動裝置所移動的可移動物體的位置。
誤差空間的矩陣結(jié)構(gòu)受周圍環(huán)境、使用條件諸如此類因素的影響在某些情況下被假定是要變化的。就上述情況而言，由于與傳統(tǒng)方法相比借助于連續(xù)二點法可以自動和輕易地獲得誤差空間，簡易的修正可以通過把構(gòu)成誤差空間的矩陣賦予上述條件的變化而被執(zhí)行。
具體地，如權(quán)利要求5所述，誤差空間數(shù)據(jù)被預(yù)先獲得和儲存，誤差空間數(shù)據(jù)與周圍環(huán)境，通常是裝置周圍的溫度有關(guān)，在結(jié)構(gòu)的表示點上，溫度由于強烈而頻繁的使用及類似原因而升高。因此，通過監(jiān)視真實的環(huán)境，可以進行每個誤差空間的修正。此外，面對在測量裝置或機床的周圍環(huán)境的變化，可以保持機床的測量精度和移動精度。


圖1是根據(jù)本發(fā)明，在一個評價移動裝置位置誤差方法的例子中，表示由一組誤差曲線構(gòu)成誤差表面過程的流程圖。
圖2(a)至2(g)是表示流程圖過程內(nèi)容的說明圖。
圖3是說明用于實施方法的三維坐標(biāo)測量裝置的透視圖。
圖4是表示三維坐標(biāo)測量裝置測量狀態(tài)的示意圖。
圖5是表示借助于舉例的方法進行的連續(xù)二點法測量原理的示意圖。
圖6是根據(jù)舉例的方法表示測頭位移傳感器不平整度的說明圖。
圖7是由舉例的方法獲得誤差表面的一個實例。
圖8是根據(jù)舉例的方法表示在一個誤差空間中用于獲得給定位置誤差的修正程序的流程圖。
圖9是在可以用于舉例的方法的線性插入法中表示坐標(biāo)設(shè)置的說明圖。
圖10是在線性插入法中表示插入方法的示意圖。
圖11(a)至11(d)是表示可以用于舉例的方法的多余數(shù)據(jù)合成方法的說明圖。
圖12是表示用于傳統(tǒng)誤差測量方法中的球板的透視圖。
圖13是表示利用球板的誤差測量方法的說明圖。
圖14(a)和14(b)是表示利用球板的誤差測量結(jié)果的說明圖。
圖15是表示利用光步規(guī)的傳統(tǒng)誤差測量方法的說明圖。
圖16是表示利用測試棒的傳統(tǒng)誤差測量方法的說明圖。
圖17是表示利用自動準(zhǔn)直儀的傳統(tǒng)誤差測量方法的說明圖。
圖18(a)是表示利用激光的傳統(tǒng)誤差測量方法的說明圖；圖18(b)是光學(xué)路徑的組成圖。
圖19(a)至19(d)是表示傳統(tǒng)誤差測量方法反相方法的說明圖。
具體實施例方式
下文，本發(fā)明的最佳實施例將根據(jù)一個實例參照附圖被詳細說明。在這里，圖1是作為根據(jù)本發(fā)明移動裝置位置誤差評價方法的實例，表示在一個三維坐標(biāo)測量裝置的位置誤差評價方法中流程的流程圖。圖2(a)至2(g)是表示圖1所示流程的說明圖。圖3是表示對其應(yīng)用上述實例的一個三維坐標(biāo)測量裝置的例子的透視圖。
在舉例的方法中，首先設(shè)置如圖3所示用于三維坐標(biāo)測量裝置的帶有x，y，z三個軸向的坐標(biāo)空間，其中門形框架的延伸方向如圖所示被設(shè)置為X軸。在這里，取代探頭的是在如圖4所示的上述三維坐標(biāo)測量裝置中安裝測頭P，以便用連續(xù)二點法測量誤差。測頭P具有二個安裝在其頂部的非接觸式激光位移傳感器。一臺通過執(zhí)行連續(xù)二點法計算誤差空間的普通計算機被放置。通過一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，上述二個位移傳感器的輸出信號被輸入到計算機內(nèi)。然后，讓那二個位移傳感器面對盡可能平整的目標(biāo)板OB。接著，在二個位移傳感器之間形成的空間的方向上，以等于其空間的間距移動測頭P時，測量被重復(fù)。圖5是表示上面測量原理的示意圖，其中M表示位移傳感器。
應(yīng)注意到，在連續(xù)二點法中使用的位移傳感器的類型不限于上述類型。此外，上述的“Trend of Straightness Measuring Method andDevelopment of Sequential Two-point Method(直線測量法的趨勢和連續(xù)二點法的發(fā)展)”應(yīng)作為連續(xù)二點法本身細節(jié)的參考。
接著，關(guān)于如圖3所示的具有x，y，z軸的直角坐標(biāo)系的(x，y，z)系統(tǒng)，設(shè)想由(Xi、Yj、Zk)構(gòu)成的平面。在這里，i、j、k被設(shè)置如下i＝0、1、……l；j＝0、1、……m；k-0、1、……n。在采取(Xi、Yo、Zo)，并且連續(xù)二點法沿X軸應(yīng)用時，測頭沿X軸的直線誤差曲線以下列方式被獲得。
在測頭上的二個位移傳感器被設(shè)定為A和B；測頭和目標(biāo)板表面的直線誤差為X和Z；而由位移傳感器測量的值為D。則，由下文所示的簡單關(guān)系獲得Xk和Zk。在這種情況下，假定在測頭運動時，不產(chǎn)生測頭旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)運動。
Xk＝Xk-1-DkA+D(k-1)B(1)
Zk＝Xk+DkA-D0A(2)X0＝0，X1＝0，Y0＝0 (3)在重復(fù)(Xi、Yj、Zo)的上述過程時，即對于Yi，其中j是整數(shù)，在X軸方向獲得的一組直線誤差曲線可以相對于Z＝0的平面被獲得。
根據(jù)基本理論，二個位移傳感器的頂部彼此成一直線。然而，實際上，總是存在微小的不平整度Δ(見圖6)。在測量的直線誤差曲線中，lΔ在測量的最后階段被累積起來，其中發(fā)送二點的次數(shù)被設(shè)置為l，由此以疊加的方式被獲得。因此，在關(guān)于Yo移動測頭的直線誤差曲線中，通過修正不平整度，誤差曲線可以借助于在X軸上測量范圍的二端上設(shè)置誤差δz至0而被給出。其間，關(guān)于與關(guān)于Yi獲得的Xi有關(guān)的直線誤差曲線，其中j＝1，……m，即使在lΔ構(gòu)成其端點的修正值時，同時設(shè)置其始點為0，則建立δz≠0，且因此δz(Yjm)最后保留。
如根據(jù)上述那組直線誤差曲線構(gòu)成平面誤差表面的方法，通過設(shè)置(Xo、Yj、Zo)和(X1、Yj、Zo)j＝0，1，……m來獲得在Y軸方向上的直線誤差曲線。具體地，在X軸方向上那組直線誤差曲線的每個起點和終點上，在垂直于那些曲線的方向上獲取直線誤差曲線。在這種情況下，二個用于在X軸方向獲得誤差曲線的位移傳感器，通過繞一條垂直軸線旋轉(zhuǎn)而被直接使用。因此，頂部不平整度Δ被保持并在Y軸方向的直線誤差曲線的評價中可以立即被考慮。在以Y軸方向上帶有最初配置的二個位移傳感器測量上述內(nèi)容時，與用于評價在X軸方向上考慮的頂部不平整度同樣的方法被單獨使用。此外，可以獲得在Y軸方向上的直線誤差曲線。然而，鑒于在各個直線誤差曲線的最后階段允許δz的評價，對于保持測量精度和操作效率是有效的，以通過旋轉(zhuǎn)上述位移傳感器，直接使用用于X軸方向測量的位移傳感器。
在X軸方向上獲得的那組直線誤差曲線被疊加在Y軸方向上直線誤差曲線的相對位置，它在X軸線方向上獲得的每個曲線的始點和終點上被獲得。由此，可以通過組合在X軸方向上獲得的那組直線誤差曲線構(gòu)成平面誤差表面，該組曲線作為因子被相互獨立地獲得。
根據(jù)該組誤差曲線構(gòu)成誤差表面的上述過程可以依據(jù)圖1流程圖所示的程序被執(zhí)行。圖2(a)至(g)表示程序在各個步驟的圖形。換句話說，根據(jù)圖1所示的程序，在步驟S1中，在X方向的直線誤差曲線，如圖2(a)所示，相對于y＝0，……m的各個值而首先獲得。接著，在步驟S2中，如圖2(b)所示，根據(jù)在x＝1和y＝0時所獲得的誤差計算修正量Δ。
隨后，在步驟S3中，如圖2(c)所示，由上述修正量Δ修正在X軸線方向上的各個直線誤差曲線。接著在步驟S4中，如圖2(d)所示，在Y軸方向獲得x＝0和x＝1各值的直線誤差曲線。
隨后，在步驟S5中，如圖2(e)所示，由前述修正量Δ修正在Y軸方向上的各直線誤差曲線。在此后的步驟S6中，如圖2(f)所示，以其兩端位于在Y軸方向上由于x＝0和x＝1各值所獲得的各直線誤差曲線上這種方式，修正X軸方向上的各直線誤差曲線。
在最后的步驟S7中，如圖2(g)所示，在X軸方向和Y軸方向的直線誤差在X＝1時相互比較。這個通過比較檢驗測量效力的步驟，在檢查誤差是否是三維坐標(biāo)測量裝置的正常精度時，比較的誤差過大的情況下，是用于執(zhí)行重新測量的。圖7是一個通過上述過程獲得誤差表面測量的例子。
重復(fù)上述方法及獲取一組平面誤差表面，以便在所需要的坐標(biāo)位置，提供X、Y和Z軸方向的誤差分量。由此，可以獲得三維坐標(biāo)測量裝置的誤差空間。該誤差空間可以通過采用與各坐標(biāo)位置有關(guān)的誤差分量作為要素分量的一個矩陣來規(guī)定。
因此，根據(jù)本發(fā)明改進三維位置精度的方法，由上述矩陣構(gòu)成修正關(guān)系式，其中在各個坐標(biāo)位置的誤差分量被設(shè)置為零。根據(jù)上述公式，移動探頭以便在三維坐標(biāo)測量裝置的CNC功能的指令下補償上述誤差量。此外，可能實現(xiàn)三維坐標(biāo)測量裝置的高準(zhǔn)確測量功能。
此外，除了三維坐標(biāo)測量裝置，上述方法可以被用于任何移動裝置如機床。由此，可以實現(xiàn)可移動物體高準(zhǔn)確性的移動。
另外，設(shè)想上述誤差空間要受其中配置三維坐標(biāo)測量裝置的移動裝置和類似裝置的環(huán)境，或受隨著時間的推移裝置的狀態(tài)變化的影響。
通常，其間放置三維坐測量裝置的高精度移動裝置或類似裝置的環(huán)境在恒溫下被調(diào)節(jié)。然而，可以設(shè)想，在不令人滿意的溫度條件下使用該裝置。在這種情況下，移動裝置受環(huán)境溫度的影響。此外，有移動裝置因其連續(xù)運行而部分加熱的可能性。此外，也有因移動裝置長期使用由磨損，輕微變形或類似原因而改變誤差空間的可能性。
根據(jù)在誤差空間中的這種變化，裝置的精度可以以下列方式被保持。具體地，弄清楚在測量誤差空間時和實際使用裝置時其間環(huán)境和裝置狀態(tài)的相互關(guān)系。然后，根據(jù)環(huán)境和裝置狀態(tài)的變化，通過測量誤差空間預(yù)先獲得修正關(guān)系式。此外，根據(jù)實際使用裝置時環(huán)境和裝置的狀態(tài)修正誤差關(guān)系式。
此外，有關(guān)測量位置，其估算值之間的中間位置可以根據(jù)在測量位置上的誤差，借助于直線、曲線或表面插入法來進行。
換句話說，可由連續(xù)二點法獲得其誤差的測量點是不連續(xù)的。然而，在給定測量點上的修正量可以利用下文所述的插入法來計算。
獲得誤差的點被稱為(xi、yi、zi)，而在那點上z分量的誤差被設(shè)為ez(i，i，i)。應(yīng)注意到，關(guān)于x分量和y分量，也遵循與上述完全相同的過程。在這種情況下，在某個測量點(x、y、z)的誤差ez被估算，并隨后從測量結(jié)果減去ez，由此實現(xiàn)空間誤差的修正。這個空間誤差的修正如圖8所示的流程所示。
應(yīng)注意到，必須精確地獲取在點(x、y、z-ez)的誤差。然而，因為ez足夠小，是不難升高的，只要在點(x、y、z)的誤差如上所述被估算出。
作為估算誤差ez的原則方法，可考慮下列三種方法(1)線性插入法(雙直線插入法)(2)高階插入法(3)最小二乘法上述三種方法將順次說明。(1)線性插入法(雙直線插入法)如圖9所示，注意力將集中在點(x、y、z)附近的八個測量點上，它們具有由連續(xù)二點法獲得的空間誤差。
在等式rx=(x-xi)(xi+1-xi),ry=(y-yi)(yi+1-yi),rz=(z-zi)(zi+1-zj)]]>被設(shè)置時，由圖10所示的線性插入法的示意圖變得很清楚，空間誤差ez(x、y、z)由下列等式所獲得ez(x，y，z)＝(1-rx)(1-ry)(1-rz)·ez(i，i，i)+rx(1-ry)(1-rz)·ez(i+1，i，i)+(1-rx)ry(1-rz)·ez(i，i+1，i)+rxry(1-rz)·ez(i+1，i+1，i)+(1-rx)(1-ry)rz·ez(i，i，i+1)+rx(1-ry)rz·ez(i+1，i，i+1)+(1-rx)ryrz·ez(i，i+1，i+1)+rxryrz·ez(i+1，i+1，i+1)作為上述方法的特征，列舉以下各點·計算簡單·空間誤差ex(x，y，z)在邊界線上(圖10的立方體各個邊)是連續(xù)的，而ex(x，y，z)的導(dǎo)數(shù)是不連續(xù)的。
·該八個測量點必須是長方體的各個頂端。(2)高階插入法如(1)線性插入法表示的，高階插入法被假定執(zhí)行，以便改善插入法的精度和實現(xiàn)平滑性。高階插入法對應(yīng)于B樣板表面的擬合。
B樣板表面和類似的表面適合于z是常數(shù)的表面?？蓱?yīng)用的技術(shù)是關(guān)于在借助其插入該點的二個表面上所獲得的空間修正量，通過執(zhí)行線性插入法計算在點(x，y，z)修正量的技術(shù)；和將B樣板插入法連續(xù)地應(yīng)用于x、y和z軸三個軸向的技術(shù)。
作為上述方法的特性，列舉如下幾點。
·空間誤差ez(x，y，z)在邊界線上(圖10立方體的各邊)是連續(xù)的，而且ez(x，y，z)的導(dǎo)數(shù)和二次導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的。
·需要多個測量點(在立體擬合的情況下需要4×4×4個測量點)。
·所獲得的解的效力是不確定的。(3)最小二乘法假設(shè)空間誤差ez(x，y，z)符合某一模型，按適合其的模型執(zhí)行。
在這里，關(guān)于x、y和z的線性模型設(shè)想為最簡單的模型。具體地，假設(shè)可以設(shè)置下列等式。
ez＝ax+by+cz+d然后應(yīng)用最小平方法。在此由連續(xù)二點法獲得空間誤差的測量點，被設(shè)置為(xi、yi、zi)，并且在測量點(xi、yi、zi)上空間誤差的測量值被設(shè)為ezi(i＝1，……m)。由此，在空間誤差的測量值和未知參數(shù)(a，b，c，d)之間建立下列關(guān)系式ez1...ezm=x1y1z11...xmymzm1abcd]]>上述公式由等式y(tǒng)＝Ax代替。
假設(shè)y的各個分量ezi是一個未知的且等于其它分量的值并且在其分量之間沒有修正。誤差的方差被設(shè)置為σ2在這種情況下，最小二乘法由下列等式給出x^=(ATA)-1ATy]]>上述等式的計算得出下列公式 σ2的估算值由下列等式給出σ^2=1m-4|y-Ax^|2=1m-4Σ{ezi-(a^xi+b^yi+c^zi+d^)}2]]>利用這個估算值，上述最小二乘法不確定性的協(xié)方差距陣Cx由下列等式計算Cx=σ^2(ATA)-1]]>在點(x，y，z)上的空間誤差和其不確定性由下列等式計算e^z(x,y,z)=a^x+b^y+c^z+d^]]>σ^ez2=xyz1Cxxyz1T]]>作為上述方法的特性，列舉下列幾點·空間誤差ez(x，y，z)在邊界線上(上圖立方體的各個邊)是不連續(xù)的。(因此，在要求路徑的連續(xù)性如改進成機床時，有可能不能使用該方法)。
·在配置和測量點的數(shù)量上沒有限制。(實際上，在點(x，y，z)附近的八個點同樣適合于(1))·要獲得的方案在效力上是高的。(應(yīng)注意到它以模型合適為前提)·空間誤差的誤差估算和擬合效力的檢驗是可能的。
·模型的適應(yīng)性檢驗是必需的。
可以想象，上述三種方法哪種合適取決于要作為對象的三維坐標(biāo)測量裝置的特性，應(yīng)用及諸如此類的內(nèi)容。通常，切實可行的是設(shè)想采用下列兩種方法中的任一種其中計算簡單且連續(xù)的雙直線插入法；和盡管不連續(xù)但能估算空間誤差的誤差和能評價擬合效力的最小二乘法。
檢驗上述誤差修正技術(shù)的應(yīng)用在給定的環(huán)境中是否相當(dāng)合理的方法將在下文提出。
通過使用在由連續(xù)二點法獲得誤差處的測量點的每個第二點，來執(zhí)行擬合。然后，計算在剩余點的誤差。由計算所獲得的誤差和由連續(xù)二點法所獲得的誤差被相互比較。如果兩個值較接近，可以認(rèn)為誤差修正技術(shù)是合適的。并且在同時，根據(jù)那時二個值之間的差，設(shè)想能夠估算在由誤差修正技術(shù)修正后，一個值的誤差的大小。
此外，在利用連續(xù)二點法測量空間誤差時，合成測量的多余數(shù)據(jù)方法的例子將在下文被提出。
如圖11(a)至11(d)所示，根據(jù)該方法，例如在圖11(a)中所示的兩種數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2被合成。首先，如圖11(b)所示，其間具有相互冗余的部分的數(shù)據(jù)1和2中的數(shù)據(jù)2完全受到偏移修正(在各個數(shù)據(jù)1和2中獲得冗余部分的平均值，而且平均值之間的差被設(shè)置為一個偏移值)。
接著，如圖11(c)所示，在數(shù)據(jù)1和2相互冗余部分的各個點上獲得平均值，并且所獲得的平均值被設(shè)置為新的測量值。
然后，如圖11(d)所示，在需要升高時執(zhí)行零點修正。
上述合成方法可以被用于，比如在X軸和Y軸方向的測量結(jié)果，在正向和負(fù)向的測量結(jié)果及由同一技術(shù)所獲得的多個測量結(jié)果的合成和類似的方面。
然而，作為前提，要求各數(shù)據(jù)組的絕對值沒有意義，而只是相對測量值有意義，并且如果補償(偏差)消除時，即白色誤差(white error)，在數(shù)據(jù)組中沒有測量值之間的修正。
應(yīng)注意到，最好，在各種數(shù)據(jù)修正以前如零點校正以前執(zhí)行數(shù)據(jù)的合成。
如已經(jīng)敘述的，作為本發(fā)明的方法的特點列舉的是，隨著時間的推移對應(yīng)于測量裝置變化的誤差空間的再評價和諸如此類事情，由于要采用的簡單裝置和簡易過程而易于執(zhí)行。
在本發(fā)明的方法中，作為要測量的誤差空間計算的對象，絕不必使用像球板這樣的高精度對象，而是利用通?？捎糜谏虡I(yè)應(yīng)用的鋁板即已足夠。
如上所述，本發(fā)明能顯示優(yōu)點的技術(shù)領(lǐng)域如測量加工部件如機械部件形狀的技術(shù)；其中在測量性能方面通過用一個矩陣表示誤差空間和通過依據(jù)表示的誤差空間構(gòu)成修正關(guān)系式能改進本發(fā)明的信息處理技術(shù)；其中本發(fā)明隨著精度的改善，能進行滿足已改進精度的高精度機械部件的制造的生產(chǎn)和加工技術(shù)；和其中本發(fā)明能應(yīng)用于機床的刀具移動的生產(chǎn)和加工技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種移動裝置的位置誤差評價方法，包括以下步驟在相互垂直的二軸或三軸方向上移動可移動物體的移動裝置中，由連續(xù)二點法獲得表示所述可移動物體在沿所述二軸或三軸方向中預(yù)定的單軸方向上位置誤差變化狀態(tài)的直線誤差曲線，對于所述二軸方向中的另一單軸方向重復(fù)上述步驟，所述的位置誤差與垂直于所述預(yù)定二軸方向的一個方向有關(guān)；根據(jù)一組已獲得的所述直線誤差曲線二端的坐標(biāo)位置，獲得表示在可移動物體沿另一單軸方向的位置誤差中的變化狀態(tài)的直線誤差曲線，所述位置誤差與垂直于所述預(yù)定二軸方向的那個方向有關(guān)，并在作為邊界直線誤差曲線的二端的坐標(biāo)位置上設(shè)置直線誤差曲線；根據(jù)所述的邊界直線誤差曲線，通過修正所述直線誤差曲線組的排列來獲取誤差表面；以及在包括所述預(yù)定二個軸線的平面上，根據(jù)所述誤差表面評價所述移動物體的二維位置誤差，所述的二維位置誤差與垂直于平面的一個方向有關(guān)。
2.一種移動裝置的位置誤差評價方法，包括以下步驟根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在預(yù)定的坐標(biāo)范圍內(nèi)在三個軸的每個軸線方向上以關(guān)于垂直于包括所述預(yù)定二軸線的平面的單軸方向重復(fù)獲得所述誤差表面這樣的方式，獲取誤差空間；根據(jù)所述誤差空間，在所述預(yù)定坐標(biāo)范圍內(nèi)的空間中，評價所述可移動物體的三維位置誤差。
3.如權(quán)利要求1或2所述的移動裝置位置誤差評價方法，其中在由所述連續(xù)二點法已獲得位置誤差處的各個點中的一個中間點上，根據(jù)位置誤差的特性，借助于一維或多維插入法獲得位置誤差。
4.一種改善移動裝置三維位置精度的方法，包括如下步驟在用于控制所述移動裝置運行的控制裝置中保持?jǐn)?shù)據(jù)，所述的數(shù)據(jù)表示由根據(jù)權(quán)利要求2和3之一的方法所獲得的所述誤差空間；及利用在誤差空間數(shù)據(jù)中用于補償誤差的修正關(guān)系式，修正由所述移動裝置移動的所述可移動物體的位置。
5.一種如權(quán)利要求4改進移動裝置三維位置精度的方法，還包括以下步驟根據(jù)圍繞所述移動裝置周圍環(huán)境的變化，預(yù)先獲得所述誤差空間數(shù)據(jù)；及根據(jù)使用所述移動裝置，通過使用用于補償所述誤差空間數(shù)據(jù)中的誤差的修正關(guān)系式，修正由所述移動裝置所移動的所述可移動物體的位置，所述誤差空間數(shù)據(jù)對應(yīng)于圍繞使用中所述移動裝置周圍的環(huán)境。
全文摘要
在相互垂直的二軸或三軸方向上移動可移動物體的移動裝置中，由連續(xù)二點法，利用關(guān)于與上述二或三軸中的確定二軸方向相垂直的一個方向的移動物體的位置誤差來確定表示可移動物體在沿預(yù)定二軸線方向中的單軸方向的位置誤差變化狀態(tài)的直線誤差曲線；對該二軸方向中的另一單軸方向重復(fù)直線誤差曲線確定。
文檔編號B23Q15/24GK1392950SQ01802781
公開日2003年1月22日 申請日期2001年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月18日
發(fā)明者佐藤芳, 梅田和昇 申請人:學(xué)校法人中央大學(xué)