專利名稱：對準(zhǔn)多臂測量機(jī)的臂參考系的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對準(zhǔn)多臂測量機(jī)的臂參考系的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，多臂測量機(jī)包括兩個或多個測量單元，每個測量單元都具有其自己的 測量工具，所述測量工具在共用控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)地運(yùn)行。通常，使測量單元相應(yīng)的測 量容積(measuringvolume)并排且較小交叉地重疊來定位測量單元，從而由各個單元的組 合的測量容積來限定機(jī)器的總測量容積。因此，上述類型的多臂測量機(jī)尤其適于測量大尺 寸的零件，例如車身或飛機(jī)部件。在以下所涉及的為了方便且僅通過實例進(jìn)行描述的典型實施例中，機(jī)器包括位于 測量容積的相對側(cè)上的兩個水平臂笛卡爾測量單元，并且每個單元包括可相對于測量容 積沿著縱向的第一軸移動的柱體、安裝至柱體并可沿著垂直的第二軸移動的支架、以及安 裝至支架并可相對于支架沿著水平的第三軸移動的臂，其中第三軸垂直于第一軸并與測量 容積交叉。在采用坐標(biāo)測量單元的多臂機(jī)器(尤其是具有兩個水平臂的機(jī)器)中，將兩個臂 中的其中一個(第二臂或“次要”臂)的笛卡爾參考系相對于另一個(“第一”臂或“主要” 臂)對準(zhǔn)對于雙臂模式的測量性能非常重要。通常的對準(zhǔn)方法包括測量以不同方式定位在兩個單元的測量容積之間的交叉部 分處的球體，并由此相對于第一臂的笛卡爾參考系旋轉(zhuǎn)并平移第二臂的笛卡爾參考系。多臂模式中的測量機(jī)性能嚴(yán)格取決于各個單元的補(bǔ)償精度和尺寸穩(wěn)定性，并且取 決于上述對準(zhǔn)過程的結(jié)果的精度和穩(wěn)定性。尤其是，后者受環(huán)境溫度的變化(該變化可能導(dǎo)致兩個單元幾何形狀的扭曲，不 能通過幾何補(bǔ)償過程完全恢復(fù))和單元零部件(傳感器、梁等)的延長的變化(通常導(dǎo)致 嚴(yán)重得足以損害性能的測量誤差)所導(dǎo)致的兩個測量單元的變形影響。各個單元的扭曲還導(dǎo)致多臂模式中更嚴(yán)重的測量誤差。因此，經(jīng)常更新多臂機(jī)器的每個單元的笛卡爾參考系的對準(zhǔn)非常重要，但是，實際 上，如果不是不可能，在為了明顯的容納原因而去除固定的安裝在地面上的球體的在線測 量系統(tǒng)的情況下也難以進(jìn)行。影響多臂機(jī)器性能的另一因素是工件的重量，其可能導(dǎo)致上面安裝有單元的機(jī)座 和/或底座的嚴(yán)重屈服，從而影響單元的空載確定的對準(zhǔn)條件。將此影響減到最小的一種方式是將系統(tǒng)與設(shè)置在適當(dāng)位置的工件對準(zhǔn)，盡管通常 工件的大尺寸(very size)阻礙這樣做。“實體模型”是另一種可能的解決方案，但是，由于 涉及額外的運(yùn)動，可能與專用的工件支撐固定裝置干涉，并可能與實際工件的負(fù)載構(gòu)造顯 著不同，所以通常不實際且技術(shù)上不可行。此解決方案的問題還包括隨著不同工件而變化 的負(fù)載。這些問題的唯一解決方案是增大機(jī)座和/或底座的尺寸，從而增加了機(jī)器的成
3本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種對準(zhǔn)多臂測量機(jī)的臂參考系的方法，設(shè)計該方法以消除典型地與已知方法相關(guān)的上述缺點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種多臂測量機(jī)的臂參考系的對準(zhǔn)方法，如權(quán)利要求1所述。本發(fā)明(其也應(yīng)用于非笛卡爾機(jī)器和除了雙臂系統(tǒng)以外的其它多臂系統(tǒng))通過位 于至少一個測量單元的結(jié)構(gòu)上且可由其它單元測量的一個或多個參考件提供周期性地更 新對準(zhǔn)矩陣。參考件可以是a) 一個或多個已校準(zhǔn)球體，其位于一個臂的端部上并容易被另一臂上的示蹤器 (tracer)接近，或者，其位于可與測量工具互換的并可容納于工具更換貯存器中的專用工
t- b)專用量規(guī)，如果機(jī)器僅裝配有不能簡單地測量上述球體的非接觸式示蹤器。通過自動激活的或由操作員根據(jù)工件的類型或環(huán)境條件的變化(例如，溫度變 化)而激活的適當(dāng)測量程序，本發(fā)明提供更新對準(zhǔn)矩陣，從而改進(jìn)測量性能并大幅降低依 據(jù)機(jī)座和/或底座大小的成本。此外，本方法可應(yīng)用于兩個臂共有的局部容積的實際由工件占據(jù)的部分，從而可 能改進(jìn)測量性能并增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性，由此，這可用于測量大尺寸和小尺寸的工件(車身 和面板)。


將參照附圖通過實例描述本發(fā)明優(yōu)選的、非限制性實施例，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的雙臂測量機(jī)的示意性平面圖；圖2示出了圖1的機(jī)器的示意性前視圖；圖3示出了圖1的機(jī)器的測量單元的示意性細(xì)節(jié)；圖4示出了在機(jī)器安裝階段對準(zhǔn)圖1中的機(jī)器的參考系的過程的流程圖；圖5示出了參考件在圖4的流程圖中所示的過程中的位置；圖6示出了對圖1的機(jī)器測量單元的參考系的對準(zhǔn)進(jìn)行更新的第一操作的流程 圖；圖7示出了對圖1的機(jī)器測量單元的參考系的對準(zhǔn)進(jìn)行更新的第二操作的流程 圖。
具體實施例方式參照圖1和圖2，標(biāo)號1表示作為整體的雙臂笛卡爾測量機(jī)。機(jī)器1基本上包括限定水平參考面3的底座2 ；以及兩個水平臂測量單元4、5，其 用于相對于參考面3移動相應(yīng)的測量工具6、7。測量單元4包括可沿著引導(dǎo)件9移動的柱體8，該引導(dǎo)件沿著底座2的縱向側(cè)邊延 伸并平行于一組定義與底座2結(jié)合的參考系的三個坐標(biāo)軸X、Y、Z的軸X。引導(dǎo)件9可以是任何傳統(tǒng)的類型，并僅在圖1中示意性示出。
測量單元4還包括安裝至柱體8并可沿著軸Z沿著柱體8移動的支架10 ；以及 安裝至支架10并可沿著水平軸Y移動的水平臂11。優(yōu)選地，測量工具6通過已知的鉸接頭13 (具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度，用于調(diào)節(jié)測量工 具6的位置)安裝至臂11的端部凸緣12。類似地，測量單元5包括可沿著引導(dǎo)件16 (該引導(dǎo)件沿著底座2的與引導(dǎo)件9相 對的縱向側(cè)邊延伸并平行于軸X)移動的柱體15 ；安裝至柱體15并在平行于軸Z的方向上 可沿著柱體15移動的支架17 ；以及安裝至支架17并可在平行于軸Y的方向上移動的水平 臂18。優(yōu)選地，測量工具7通過具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的已知的鉸接頭20安裝至臂18的 端部凸緣19。測量單元4、5的移動部件和鉸接頭13、20由電機(jī)(未示出)控制，進(jìn)而由連接至 與機(jī)器軸相關(guān)的已知線性位置傳感器(未示出)和連接至與鉸接頭13、20相關(guān)的已知角度 傳感器(未示出)的控制處理單元24控制。如圖3中更清楚地示出的，單元4的臂11的凸緣12方便地安裝有用于下述目的 的參考球體25。每個測量單元4、5自身的測量容積由測量工具隨著機(jī)器軸位置的變化而可到達(dá) 的所有位置限定。當(dāng)以“雙臂”模式操作時，由Ml和M2指示的兩個測量容積不可避免地具 有交叉部分I，并且共同限定機(jī)器1的測量容積M。為了以雙臂模式進(jìn)行操作，必須對準(zhǔn)兩個臂的參考系，S卩，兩個單元4、5的測量必 須涉及共用參考系。假設(shè)上面限定的X、Y、Z參考系是單元4 (第一或“主要”單元)的參考系，那么可 引入與單元5 (第二或“次要”單元)相關(guān)的第二參考系χ、y、ζ。對準(zhǔn)兩個參考系包括旋轉(zhuǎn)并平移次要單元5的參考系，以使它的軸與主要單元4 的參考系的軸平行并且具有與之相同的原點(diǎn)(origin)。數(shù)學(xué)上，這相當(dāng)于應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換τ P = τ ρ = T+Rp(1)其中P是主要系統(tǒng)坐標(biāo)的三個分向量(X、Y、Z)；ρ是次要系統(tǒng)坐標(biāo)的三個分向量(χ、y、ζ)；T是確定次要坐標(biāo)系的原點(diǎn)在主要坐標(biāo)系中的位置的三個平移分向量(tx、ty、 tz)；并且R是旋轉(zhuǎn)矩陣(3X3)。當(dāng)安裝機(jī)器1時，單元4和5的常規(guī)幾何補(bǔ)償與測量工具6和7的合格化 (qualification)之后接著進(jìn)行單元4和5的參考系的對準(zhǔn)，所述對準(zhǔn)包括以下步驟1)獲取兩個參考系之間的角度誤差，從而確定矩陣R的系數(shù)。一種簡單的、容易自動進(jìn)行的僅確定旋轉(zhuǎn)分量的方法如下所述(圖4)。與臂11 一體的可移動球體25通過單元4沿著由交叉部分I (圖4)處的平行于軸 X和Z的平面(即Y恒定平面)中的η個位置限定的柵格連續(xù)移動，例如，被移入布置在三個水平行中的九個位置中(并因此限定相應(yīng)的Z-和Y-恒定線rl、r2和r3-圖5)。在每 個上述位置中獲取次要系統(tǒng)中的球體25的中心坐標(biāo)Pi，并且，對由圖4的流程圖中的方框 31至35定義的自動測量循環(huán)中的所有位置執(zhí)行此操作。通過優(yōu)化方法，例如，最小二乘法，由此可以計算最接近X、1、ζ次要參考系中的9 個點(diǎn)的平面(方框36)，并且計算次要系統(tǒng)中的軸X、Y、Z的方向(方框37)。
更具體地，可將方向Y的單位向量計算為垂直于所計算的平面。三行Z常數(shù)點(diǎn)用 于確定在x、y、z系統(tǒng)中最接近它們的三條線?？蓮乃鼍€的“平均值(mean)”的方向余弦 計算方向X的單位向量，術(shù)語“等分線(mean line) ”指的是由三條線與χ、y、ζ系統(tǒng)軸中的 每一個形成的角度的平均值所定義的線。最后，可將方向Z的單位向量確定為方向X和Y的單位向量的向量積。因此，到該過程結(jié)束時，可以知道軸X、Y、Z在χ、y、ζ系統(tǒng)中的方向余弦以及由此 知道矩陣R的分量(方框38)。2)通過測量位于測量容積中一點(diǎn)處的固定球體的單元4和5確定向量Τ。給定測量容積中的特定點(diǎn)在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并且給定矩陣R，通過用單元 4 (方框39)和單元5 (方框40)測量固定球體，并通過根據(jù)在兩個參考系中獲得的球體中心 坐標(biāo)來計算向量T(方框41)，可從(1)確定向量T的項。到此過程結(jié)束時(該過程作為機(jī)器的后安裝設(shè)置的一部分而執(zhí)行)，可認(rèn)為完成 了參考系的對準(zhǔn)。然而，在實際情況中，矩陣R和向量T的分量可能隨著時間相對于在機(jī)器安裝階段 原始確定的那些分量而變化。旋轉(zhuǎn)分量可能受機(jī)器臂的幾何形狀和相互位置的變化(通常由于溫度的原因)的 影響，或者，受工件負(fù)載導(dǎo)致的屈服的影響。影響多臂機(jī)器性能的最重要的熱因素是被稱為熱漂移的因素，其導(dǎo)致傳感器和機(jī) 器的結(jié)構(gòu)部件的變形，進(jìn)而導(dǎo)致測量容積內(nèi)的各點(diǎn)漂移。漂移量不僅取決于所施加的熱應(yīng) 力的量，而且取決于測量容積內(nèi)所考慮的點(diǎn)的位置。這種變形產(chǎn)生矩陣R和向量T的變化。至于工件負(fù)載，這可能產(chǎn)生節(jié)距(pitch)和滾動(roll)的顯著變化，臂和臂之間 可能不同，或多或少取決于工件相對于臂的對稱位置。為了周期性地更新矩陣R和向量T，在將機(jī)器交予使用者之前，需要進(jìn)一步的校準(zhǔn) 步驟，并且該步驟包括確定球體25相對于臂11 (例如，相對于凸緣中心)的位置。這通過 將球體25定位在測量容積Ml和M2的交叉部分I的一點(diǎn)處來實現(xiàn)，在這個點(diǎn)處，可由單元 5檢測；并且，存儲單元4所到達(dá)的坐標(biāo)。然后，用單元5的測量工具7測量球體25，并且，計算并存儲可移動球體25的中心 相對于單元4的臂11的坐標(biāo)，從而基于單元4的機(jī)器坐標(biāo)而給出球體25中心的位置。上述校準(zhǔn)步驟包括機(jī)器的安裝?？捎墒褂谜邎?zhí)行下述參考系對準(zhǔn)更新過程，不需 要和上述過程的情況中一樣的技術(shù)人員，并且，最重要的是，不涉及機(jī)器的長時間、高成本
的停工期?？赏耆?向量T和矩陣R)或部分地(即，僅是平移分量)更新對準(zhǔn)。在工件重量顯著變化的情況中，或在一周的第一次漂移中，或在環(huán)境溫度顯著變 化的情況中，推薦完全更新，并且完全更新是可能每周一次的過程。
在測量工具和工件之間出現(xiàn)強(qiáng)烈碰撞的情況中(每當(dāng)測量工具觸針變?yōu)橐环N相 同類型時)，或在環(huán)境溫度緩慢變化的情況中，推薦部分更新，并且部分更新是可能每日一 次的過程。A)更新角度對準(zhǔn)。參照圖6的流程圖描述此過程。激活自動測量循環(huán)(方框43至47)，以通過單元5在交叉部分I處的k個離散位 置測量單元4上的可移動球體25。根據(jù)工件的類型，位置的數(shù)量可由使用者定義。方框49計算一個或多個預(yù)定方向上的角度對準(zhǔn)誤差Er。如果檢測到小于第一閾 值的角度對準(zhǔn)誤差，那么認(rèn)為單元4和5仍適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)，并且，延長更新過程(方框50)。如果檢測到角度對準(zhǔn)誤差大于基本上更高的第二閾值(S2)(方框51)，那么認(rèn)為 單元5的測量工具7不再合格，因此，中斷更新過程以重新使測量工具7合格(方框53)。最后，如果檢測到介于第一和第二閾值之間的角度對準(zhǔn)誤差，那么，通過與初始對 準(zhǔn)過程相似的過程更新對準(zhǔn)(方框52)(通過單元4沿著Y恒定平面中的各點(diǎn)的柵格移動 可移動球體25，并且通過單元5測量可移動球體25 ；將定義方向Y的單位向量計算為垂直 于接近已獲得點(diǎn)的平面；從連續(xù)插入Z恒定點(diǎn)的各線計算方向X的單位向量；并且，將方向 Z的單位向量計算為定義方向X和Y的單位向量的向量積)。因此，計算剩余的旋轉(zhuǎn)矩陣R’，其用來校正所存儲的旋轉(zhuǎn)矩陣R(新的旋轉(zhuǎn)矩陣等于剩余的旋轉(zhuǎn)矩陣乘以所存儲的旋轉(zhuǎn)矩陣)。B)更新平移分量。參照圖7的流程圖描述此過程。可移動球體25用單元4定位在交叉部分I處的一個位置(方框56)并用單元5 測量(方框58)；計算球體中心坐標(biāo)(方框60)；并將平移誤差Et計算為基于單元5的測 量而計算的球體中心坐標(biāo)和基于單元4的位置坐標(biāo)而計算的球體中心坐標(biāo)之間的差(方框 61)。如果檢測到平移誤差小于(絕對值或關(guān)于每個單獨(dú)分量)第一閾值S3 (方框62)， 那么認(rèn)為單元4和5仍適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)，并且，延長更新過程。如果檢測到平移誤差大于基本上更高的第二閾值(S4)(方框63)，那么認(rèn)為單元5 的測量工具7不再合格，因此，中斷更新過程以重新使測量工具7合格(方框65)。最后，如果檢測到介于第一和第二閾值之間的平移誤差，那么，將向量T’計算為由 單元5測量的球體中心坐標(biāo)和由單元4的坐標(biāo)得來的球體中心坐標(biāo)之間的差，并且向量T’ 用來校正所存儲的向量T(方框64)。也就是說，新的(校正的)向量T等于向量T’和所存 儲的平移向量的和。執(zhí)行過程A)和B)以實現(xiàn)完全更新，而僅執(zhí)行過程B)以實現(xiàn)部分更新。通過上述描述，根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。特別地，只要影響操作條件的現(xiàn)象(碰撞、環(huán)境溫度的變化、從一個工件變到另一 個工件等)要求，就可由使用者頻繁地更新單元4和5的參考系的對準(zhǔn)。更新過程本身較快，并且不涉及安裝于地板的制造物(artifact)。本方法確保機(jī)器隨著環(huán)境條件變化仍具有較高的測量精度，不需要技術(shù)人員，并 且不會延長機(jī)器的停工期。
最后，由于參考系的更新對準(zhǔn)提供當(dāng)對工件加載時底座或機(jī)座的屈服產(chǎn)生的補(bǔ)償 誤差，在不改變精度的情況下可將底座和/或機(jī)座制造得更輕。特別地，可在地面上方使用 機(jī)器，在該情況中，由于建筑物的結(jié)構(gòu)阻力的原因，明顯不能將機(jī)座制造得過于堅硬。然而，明顯地，在不背離所附權(quán)利要求的范圍的前提下，可對本發(fā)明進(jìn)行改變。
特別地，該機(jī)器可以包括不止兩個單元，并且，單元可以是非笛卡爾的?？衫貌煌臏y量工具(例如，非接觸式傳感器)執(zhí)行更新過程。最后，可以任何 其它已知方式(例如，通過在單元4和5的測量容積Ml和M2的交叉部分I處的不同位置 連續(xù)地設(shè)置固定球體，并借助單元4和5確定不同位置中的球體中心坐標(biāo))執(zhí)行初始對準(zhǔn) 過程。數(shù)學(xué)上，如果Pi和Pi分別是在主要和次要系統(tǒng)中測量的位置，那么，通過將誤差函數(shù) 減到最小來確定旋轉(zhuǎn)矩陣R F=E ^Pi-T (R, T)Pi)(2)例如，這可用最小二乘法來實現(xiàn)。明顯地，球體位置i的數(shù)量越大，則近似性越好。替代地，可使用復(fù)雜的制造物，包括，例如，預(yù)定相關(guān)位置中的多個球體。
權(quán)利要求
一種對準(zhǔn)多臂測量機(jī)(1)的臂參考系的方法，所述多臂測量機(jī)包括至少兩個測量單元(4，5)，每個測量單元具有可移動的臂(11，18)和能夠通過所述臂(11，18)在相應(yīng)測量容積(M1，M2)中移動的測量工具(6，7)；所述測量單元(4，5)的測量容積(M1，M2)具有交叉部分(I)，并將機(jī)器測量容積(M)整體定義為等于各個測量單元的組合的測量容積(M1，M2)；并且，所述方法包括以下步驟將至少一個參考件(25)裝配至至少第一測量單元(4)的臂(11)；使相應(yīng)測量單元(4，5)的所述測量工具(6，7)中的每一個合格；當(dāng)安裝所述機(jī)器(1)時，對準(zhǔn)所述測量單元的參考系(X、Y、Z；x、y、z)；以及通過用至少另一測量單元(5)檢測所述參考件(25)周期性地更新所述參考系的對準(zhǔn)；所述參考件(25)被所述第一測量單元(4)移入所述交叉部分(I)處的多個位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述參考件(25)剛性地固定于所述第一 測量單元(4)的所述臂(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述參考件(25)是球體。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括通過所述另一測量單元 (5)確定所述參考件(25)相對于所述第一測量單元(4)的所述臂(11)的位置的步驟。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述更新參考系的對準(zhǔn)的步 驟包括更新旋轉(zhuǎn)矩陣(R)和平移向量(T)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述更新參考系的對準(zhǔn)的步 驟包括僅更新平移向量(T)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述更新步驟包括執(zhí)行自動 測量循環(huán)，在自動測量循環(huán)中，所述參考件(25)通過所述第一測量單元(4)定位在所述交 叉部分(I)處，并由所述另一測量單元(5)測量。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在檢測到范圍介于最小閾值 (S1 ；S3)與最大閾值(S2 ；S4)之間的殘留誤差時，啟動所述更新步驟。
全文摘要
一種對準(zhǔn)多臂測量機(jī)(1)的臂參考系的方法，該多臂測量機(jī)包括至少兩個測量單元(4，5)，每個測量單元具有可移動的臂(11，18)；所述方法包括以下步驟當(dāng)安裝機(jī)器(1)時對準(zhǔn)測量單元(4，5)的參考系(X、Y、Z；x、y、z)；并通過用一個測量單元(5)檢測參考件(25)來周期性地更新所述參考系的對準(zhǔn)，參考件由另一測量單元(4)承載并由另一測量單元連續(xù)地移入兩個測量單元(4，5)的測量容積(M1，M2)的交叉部分(I)處的多個位置。
文檔編號G01B21/04GK101861510SQ200780101560
公開日2010年10月13日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者埃馬努埃萊·里奇, 米凱萊·韋爾迪 申請人:?？怂箍禍y量技術(shù)有限公司