CN101424526A - 模块化校准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模块化校准，具体地涉及一种用于CMM的模块化校准方法，该校准方法包括在安装CMM之前对若干构件的初步校准步骤。这些初步校准步骤产生用于各个校准构件的特定映射信息，然后将这些特定映射信息存储到所生成的并与校准构件相关联的映射文件中。一旦安装了CMM之后便进行最终调准，该最终调准处理在初步校准步骤期间所收集的映射信息。

Description

模块化校准

技术领域

本发明涉及用于坐标测量机(CMM)的校准方法，以及为此而设的计算机可读介质。

背景技术

校准方法意图通过提供初步的可靠性检查来确保测量工具的准确性。一般而言，校准包括将测量输出与公知的基准值比较。当注意到两组值不一致时，便实施误差修正，以使得实际测量值和公知的理论值是调准的。校准步骤通常在首次使用系统之前进行，以便确保系统在使用时给出正确值。然后在大修时可重复校准步骤。

在CMM领域中，机器通常有至少三个自由度(也称作DOF)。然而，也是公知有六个或更多DOF的系统。CMM系统通常包括依照三个空间轴线X、Y和Z直线移动的支架以及附着到该支架上的较轻量的触针，该触针例如可通过插入活动连接的探头而转动。最常见的校准过程包括测量通常为球体的称之为校准制品上的坐标，以便可同时测试所有的自由度，即机器操作满量程范围内的位置和取向。

一般而言，CMM系统可选择测量探针，该测量探针可连接到定位头上并专用于执行不同的测量任务。CMM可配备例如选择不同长度和形状的触发式接触探针、扫描探针、非接触探针、光学检查探针等。各个单独的探针需要单独和分开的校准。另一方面，当系统中引入新的探头时，或只要改变了CMM的运动链系系的元件时，所有的探针都应该单独地重新校准以确保最优的精度。

需要频繁的校准对于CMM用户而言是个缺点，因为这降低了CMM系统的可用性。此外，管理各探针的校准数据也是CMM用户的负担。

本领域所公知的校准过程的另一个缺点是仅在几个不连续的选定位置上进行校准，以致不能保证使得所有位置的准确度最优。此外，由于完全整体的校准操作总是发生在安装好的机器上，故因为无法按推理方式区分该阶段的参数而总是难以识别主要偏差的正确来源，以致于参数加权和调整是相当耗时的。

确保校准的精度的另一个问题是要包括动态参数和弯曲参数，以便知道系统如何反作用于施加到触针上的力以及惯性力的影响是怎样的。据此，公知的是，在校准过程中要包括例如测量作为接触力函数的CMM探针的位移。

已开发出一些用于误差修正的数值模型以便提高校准系统的准确度。在US5594668中提出的第一模型考虑了探针的弹性并通过矩阵计算出由加速度引起的扭曲。类似地，在WO2006/114603中使用了惯性矩阵并考虑了偏转力。然而，在这两种情形中，所用探针的固有弹性都不是从初步校准步骤中导出的，而是基于厂家的硬编码数据，因此精度并非单独地适于每个装置。

US20020087233描述了具有可互换探针的模块化可移动式CMM，在其中，EEPROM电路板包含了校准数据和识别数据以便避免单元混淆；不过那些数据不是得自对探针自身的任何校准操作，且因此不包含任何特定探针的数据。

本发明基于对现有技术上述不足的认识，并旨在克服它们。具体而言，本发明提出了一种方法用以降低校准对CMM系统可用性的影响并减轻管理一大组校准数据的负担，以便提高易用性。由于在安装机器之前的校准步骤不再类属于给定的构件类型或型号，而是导出各个被测试构件的特定特征，因此也提高了准确度。

发明内容

根据本发明，通过用于CMM的模块化校准方法而实现了这些目标，其中，该CMM包含多个构件，初步校准步骤根据所附权利要求在此进行。

在优选实施例中，在安装所述CMM的步骤之前执行这样的初步校准步骤。并且优选的是，对于所述构件的各个自由度而单独地校准所述构件的各部分并产生特定的映射信息。在生成映射文件并使其与校准的构件相关联之后，再存储该映射信息。在安装好所述CMM之后，进行最终调准步骤。最终调准步骤仅处理和调准在初步校准步骤时所收集的映射信息。

这样的模块化方法能最好地适配于在各个相对定位的基准中的各个单一构件、各个单一移动以及各个单一自由度的实际固有属性。由于在生产现场可使用专用设备来对它们校准，因而确保了高质量的准确度。该方法还将总体最优化的复杂性转变成单一的最优化问题，因此极大地简化了对已安装机器的计算要求，而这一直都是繁琐且耗时的。此外，当仅需要实施简单的附件或部件互换时，这样的模块化方法是适于重复的校准操作的。

附图说明

借助于通过示例给出并通过附图说明的实施例的描述，将更好地理解本发明，附图中：

图1示出了根据本发明的优选实施例的校准步骤的序列图；

图2示出了根据本发明优选实施例的在安装CMM之前的校准步骤的详图；

图3示出了根据本发明的优选实施例的物理系统的逻辑图；

图4示出了配备有转动头和接触探针的CMM系统，用以说明本发明描述的术语。

具体实施方式

如前文所述，用于CMM 90的校准方法的现有技术水平公知为繁琐和耗时的。当然，因为必须同时调整若干校准参数，故校准过程是难以处理和漫长的。在涉及平动和转动DOF的一般情形下，通过若干均需要分开校准的CMM构造可获得校准探针的各个位置。鉴于最优化过程的耗时特性，为确保最准确的调节，通常仅校准机器构造空间中的有限数量的点，并通过插值获得相对于余下构造的校准数据。校准点的稀疏度限制了该技术的精度。

根据本发明的模块化校准方法意图在安装探针之前对构件提供单一的个别的校准并在安装完机器之后利用该信息的同时，提高机器校准设置的准确度。按这种方式，复杂的最优化问题被分解成单一的最优化问题，而这可采用特定特性的机器对各构件例如在它们自身的生产现场更好地处理。这样大大简化了在已安装的CMM上的校准程序，包括调准在先前的单独校准步骤中所收集的所有可用的校准信息。一方面，由于校准能最优地覆盖各个单一构件的构造空间，故对于各构件使用由单独的测试程序所产生的特别定制的校准信息能改善总体校准准确度；另一方面，因为不需要再次执行总体校准程序就可交换或互换构件，故其对系统提供了良好的可量测性和改善的可用性。

根据本发明的一个方面，CMM系统视作为一组兼容的可互换元件中的简单构件的组合，例如处于XYZ三维基准中的移动平台、具有一个或两个转动轴线的可取向探头、探针和附件，如接触触发式探针、触针以及伸长元件。其中的一些构件是对应于CMM系统中的自由度的主动元件，并且对于各DOF而言，优选包括设定DOF的促动器以及读出其位置的编码器。

一般而言，CMM系统可分解成限定了复杂运动链系的单一构件的集合。例如，如在示例性的图4中所示，装配有转动头和接触探针的CMM测量系统在形式上可分解成：

a.对应于沿水平“Y”轴线平动的线性促动器和编码器；

b.对应于沿水平“X”轴线平动的线性促动器和编码器；

c.对应于沿垂直“Z”轴线平动的线性促动器和编码器；

d.对应于围绕探针肘节的垂直“A”轴线转动的转动促动器和编码器；

e.对应于围绕探针肘节的水平“B”轴线转动的转动促动器和编码器；

f.对应于使用中的触针135的固定的平动。

各个基本子系统a)-f)的组合决定了感测点的坐标和取向。这些子系统中的各个子系统均在相对的基准中具有特定的取向。为了清楚起见，本示例示出了运动的串联链系，例如一个接一个连接的促动器链系。然而，本发明不限定于此种情形，并且还包括并行的促动器情形，例如像六轴线斯图尔特(Stewart)平台。

本CMM系统除了三轴线XYZ促动器外还包括多个模块化构件，例如转动头132和触针135。取决于待执行的任务，该CMM系统可装配有从模块化组中选出的构件的组合。子系统中的运动链系的分解可对应于总体系统的可分解或模块化的构件，但这绝非本发明要求必备的条件。转动头132例如分解成两个独立的基本系统，与其独立的自由度相对应。

如在前言中所提及的那样，校准这种复杂的测量机器是耗时和难以处理的，并且在每次改变机器的构造时必须重复。然而，当测量系统分解成子系统并且每一子系统被单独校准时，通过单独校准的组合便可获得整体的校准。

正式地讲，CMM系统的构造完全由一组参数决定，例如包括相对于各个自由度的位移和转动角，最后再加上温度和其它整体参数。CMM系统的静态校准可看作在CMM系统(其元件由参数向量Ξ＝ξ₁，ξ₂，...ξ_n表示，ξ的值通常从CMM系统的编码器可知)的参数空间与测量点在例如笛卡尔坐标系统x＝(x，y，z)中的实际位置X之间的对应或映射M。

X＝M(Ξ)    (1)

这一般通过测量一组基准点或参照物的表面以及通过公知的数值误差最小化技术来获得。本发明涉及通过一组子系统校准来构建整体校准M的方法。

在简单但非常普遍的情形中，CMM系统的运动链系是完全串联的，人们可以将各个自由度看作独立的子系统，并将M构建为对应M_j(ξ_j)的组合，每个M_j(ξ_j)都对应于自由度

M＝M₁(ξ₁)·M₂(ξ₂)·...·M_n(ξ_n)            (2)

在更常见的情形中，子映射M_j可根据机器的一个或多个参数来限定相对于CMM基准空间的各个构件，各默认值均可在运动链系中引起相对的基准变化。校准不必限于静态对应，而且还包括动态作用，因而引入了速度

、加速度

以及各个元件的质量。在所有的这些情形中，可根据子系统的单一校准来计算整体的校准函数。

图1通过优选实施例的序列图说明了本发明的总体原理。在图中，两个虚线框100和700分别代表在安装CMM之前和安装CMM之后发生的一组步骤，而虚线箭头900代表在这两组步骤之间的相互信息互换，这是因为在安装之后的一个或多个步骤使用由在安装之前的步骤所精确提供的信息。该步骤序列步骤展开如下：

-200：构成CMM的一些子系统或单独构件的初步校准步骤。这种单独的测试可不在现场进行，也就是不同于最终校准的场所，例如在具有特定设备的工厂或专门的校准中心，以便确保高质量水平的误差修正和补偿；

-300：作为单独测试过程的结果，提供了校准信息，该校准信息针对于子系统或单独构件的而非类属于相同型号的所有构件。根据本发明的模块化校准方法，相对于具有相同规格(例如，相同型号的两个扫描探针)的不同单独构件的校准信息因而可能是不同的，即便仅是轻微的，如果只有型号类属的信息被存储并以静态的方式附着在部件上，情形也将不同。该步骤的输出将生成与所校准的构件相关联的所谓的映射文件；

-根据需要，构件的映射文件包括不同的校准数据如几何校准数据或对由重的最终元件的一些组合所引起的变形的灵敏度以及通过公知方法的刚性校准和动态数据。在主动元件的情形中，校准将包括元件的若干不同构造，以便适当地覆盖元件的构造空间；

-400：一旦单独的校准程序已给出输出，则根据将基于图2在文中进一步讨论的不同标准，可进一步处理和组织所产生的校准信息；

-500：存储校准信息。可有不同的存储策略并且也将基于图2在文中进一步地讨论；

-600：组合这些元件以提供具有一组期望特征的运转的CMM系统。该步骤可手工地进行，例如将探针装配到CMM定位平台的轴上，或者可自动地进行，例如在配备有自动工具更换匣的系统中；

-800：用于映射并整理所有校准信息的最终调准程序。在本发明的优选实施例中，该步骤可完全自动地进行，即不需要人为干涉。因此，一旦将CMM的不同元件结合在一起，则该系统一定意义上是“自动校准的”，即校准监控器检测构件、选择相关校准文件并且将它们结合到系统校准文件中。根据本发明的另一优选实施例，如下文所解释的那样，调准功能可以是半自动的。

图2更详细地显示了根据本发明的优选实施例的在安装CMM之前的步骤。CMM的子系统100，其根据按行组成的字母A、B、C、D等进一步地参照以相互区分，并优选由相应的专门设备在生产14中测试(步骤200)。校准操作向各个子系统或构件提供特定的校准数据(步骤300)。可能取决于构件，校准信息可涵盖不同的参数。通常可将几何映射与刚性映射区分开，在该几何映射中，与机器6个自由度中的任一自由度相关联的编码器导出位置，而在该刚性映射中，编码器基于因构件的一些弯曲所施加的力而导出位置移位。在基于施加到CMM上的惯性力导出位置移位时也可将动态映射应用到CMM上。

收集和组织步骤(步骤400)的目的是精确地将映射文件的信息归类到所构建的映射组18(后面在图2中说明)，以便通过这样的预处理尽可能地简化最终调准程序。校准信息的充分分割和表示还允许以模块化的方式来执行最终调准程序，同时用户能选择所需要调准的以及不需要调准的。例如他可判断在基本的几何映射之外是否还应进行任何其它的映射如刚性映射或动态映射。因而可形成逻辑校准信息映射19并将其存储到一组映射18中(步骤500)，从该组映射18中用户将选择他想要的组或子组，如图2所示。

根据在图2中公开的优选实施例，由初步校准步骤100所生成并与子系统相关联的映射文件组成矩阵。构件的各个特定子系统矩阵的组合限定了构件矩阵。构件矩阵的各个元(entry)限定了基准取向、线性参数、转动参数和一些其它的参数如上文先前所列出的那些(自由度、刚性映射、动态映射，该列表并未穷尽)。构件矩阵可优化成根据构件的复杂性来定义数学函数。它们准确地限定了对于各位置的构件的动态行为。为节省时间，单一的子系统矩阵更准确并更容易地用以重新校准。因此，由本发明的模块化校准方法所提供的半自动调准步骤将允许用户选择调准将应用到哪个元件或者元件的哪个部分(子系统)，以及在该阶段哪个参数开始起作用。显然，可按模块化的模式设计信息映射，以便仅考虑选定的矩阵元件。

尽管存储步骤某种程度上取决于为基于映射文件建立信息映射所采用的数据表示和相关的预处理策略，但也有不同的策略用于物理地存储信息。根据本发明的优选实施例，信息的存储在各构件自身上本地性地进行。在安装步骤期间的自动搜索特征因而可允许检测并取得对应于各构件的文件，以便可在调准程序期间处理这些文件。根据另一实施例，存储步骤还可在远程存储装置上执行，例如像中心数据库，未加工的映射文件和信息映射组也可在调准步骤的范围内从该远程存储装置有选择地或自动地下载。

图3示出了根据本发明优选实施例的物理系统的逻辑视图，包括通过物理输入/输出(I/O)的连接而连结的CMM 90和用于CMM的控制器15。CMM包括由按列排列的字母(A)、(B)和(C)区分的多个子系统10，在该子系统10上联接了用于几何映射的位置转换器12并且还任选地联接了传感器13如应变仪或接触式触发开关。CMM子系统和传感器之间的链路已用虚线画出，以表示不是所有的子系统都需要与传感器13相关联。然而，本发明不限于包括位置转换器12的主动元件的校准，并且实际上，一些最简单的子系统10可能例如为没有转换器或促动器的被动延伸元件。

为了使所有的元件能相互通信，还提供了例如连接总线11的数据传输链路。

CMM控制器15包括用于执行调准步骤的处理器16和用于提供所有必需的待处理的校准信息的存储器或存储装置17。根据图3中的优选实施例，存储器包括与各个相应的构件10(A)，10(B)和10(C)等相关联的单独的映射文件20(A)，20(B)和20(C)等。然而，在映射文件20和构件之间的关联应理解为逻辑链路，不限定为根据物理实施项。当然，用于存储以及用于识别和检索相关文件的一些物理实施例是可能的。

计算机程序例如可设有用于在执行调准步骤之前检测构件和/或检索映射文件20的自动搜索功能。如果校准文件可用，这例如可通过轮询功能进行周期性地扫描。这一自动搜索还可结合有工具变换匣模块(未示出)，以便基于端口数字信息确定哪个工具实际存在于机器上。

尽管参照CMM描述了本发明，但范围可扩大至机器人技术以及与这样的模块化校准方法内在相关的任何其它适合的工业领域。

Claims (13)

1.一种用于坐标测量系统的模块化校准方法，所述坐标测量系统包括多个子系统，所述方法包括：

在安装所述CMM的步骤之前的初步校准步骤(100)，在其中，所述子系统的至少一部分被单独地校准(200)并且对于各子系统均提供特定的校准信息(300)，在其中，生成了映射文件(20)并使得所述映射文件(20)与所述校准的子系统相关联；

存储所述校准信息的步骤(500)，以及

最终调准步骤(800)，在其中，所述最终调准步骤(800)处理在所述初步校准步骤期间所收集的所述校准信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各子系统均对应于所述坐标测量系统的一个元件的自由度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初步校准步骤在不同于所述最终校准步骤的场所中执行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在存储所述校准信息(500)之前收集和组织所述校准的步骤(400)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子系统中的至少一个子系统与所述坐标测量系统中的模块化构件相对应。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储步骤对于各个子系统而言在分开的存储器件上进行。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述存储步骤(500)在各构件自身上本地性地进行。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储步骤(500)在远程存储装置上进行。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述映射文件(20)被组织成矩阵。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于构件各自由度的单一的映射文件与它们自身的相对定位基准一起结合成用于各构件的已构成和优化的矩阵。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调准步骤(800)是自动的。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调准步骤(800)是半自动的，用户能选择需要采用的单一的特定校准参数。

13.一种坐标测量系统(10)的构件，在将所述构件安装到所述坐标测量系统中的步骤之前对所述构件进行初步校准，其中，用于所述构件的特定校准信息被存储到与所述构件相关联的映射文件中。

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