CN101861510A - 对准多臂测量机的臂参考系的方法 - Google Patents

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Abstract

一种对准多臂测量机(1)的臂参考系的方法，该多臂测量机包括至少两个测量单元(4，5)，每个测量单元具有可移动的臂(11，18)；所述方法包括以下步骤：当安装机器(1)时对准测量单元(4，5)的参考系(X、Y、Z；x、y、z)；并通过用一个测量单元(5)检测参考件(25)来周期性地更新所述参考系的对准，参考件由另一测量单元(4)承载并由另一测量单元连续地移入两个测量单元(4，5)的测量容积(M1，M2)的交叉部分(I)处的多个位置。

Description

对准多臂测量机的臂参考系的方法
技术领域
本发明涉及一种对准多臂测量机的臂参考系的方法。
背景技术
众所周知，多臂测量机包括两个或多个测量单元，每个测量单元都具有其自己的测量工具，所述测量工具在共用控制系统的控制下协调地运行。通常，使测量单元相应的测量容积(measuringvolume)并排且较小交叉地重叠来定位测量单元，从而由各个单元的组合的测量容积来限定机器的总测量容积。因此，上述类型的多臂测量机尤其适于测量大尺寸的零件，例如车身或飞机部件。
在以下所涉及的为了方便且仅通过实例进行描述的典型实施例中，机器包括位于测量容积的相对侧上的两个水平臂笛卡尔测量单元，并且每个单元包括：可相对于测量容积沿着纵向的第一轴移动的柱体、安装至柱体并可沿着垂直的第二轴移动的支架、以及安装至支架并可相对于支架沿着水平的第三轴移动的臂，其中第三轴垂直于第一轴并与测量容积交叉。
在采用坐标测量单元的多臂机器(尤其是具有两个水平臂的机器)中，将两个臂中的其中一个(第二臂或“次要”臂)的笛卡尔参考系相对于另一个(“第一”臂或“主要”臂)对准对于双臂模式的测量性能非常重要。
通常的对准方法包括：测量以不同方式定位在两个单元的测量容积之间的交叉部分处的球体，并由此相对于第一臂的笛卡尔参考系旋转并平移第二臂的笛卡尔参考系。
多臂模式中的测量机性能严格取决于各个单元的补偿精度和尺寸稳定性，并且取决于上述对准过程的结果的精度和稳定性。
尤其是，后者受环境温度的变化(该变化可能导致两个单元几何形状的扭曲，不能通过几何补偿过程完全恢复)和单元零部件(传感器、梁等)的延长的变化(通常导致严重得足以损害性能的测量误差)所导致的两个测量单元的变形影响。
各个单元的扭曲还导致多臂模式中更严重的测量误差。
因此，经常更新多臂机器的每个单元的笛卡尔参考系的对准非常重要，但是，实际上，如果不是不可能，在为了明显的容纳原因而去除固定的安装在地面上的球体的在线测量系统的情况下也难以进行。
影响多臂机器性能的另一因素是工件的重量，其可能导致上面安装有单元的机座和/或底座的严重屈服，从而影响单元的空载确定的对准条件。
将此影响减到最小的一种方式是将系统与设置在适当位置的工件对准，尽管通常工件的大尺寸(very size)阻碍这样做。“实体模型”是另一种可能的解决方案，但是，由于涉及额外的运动，可能与专用的工件支撑固定装置干涉，并可能与实际工件的负载构造显著不同，所以通常不实际且技术上不可行。此解决方案的问题还包括随着不同工件而变化的负载。
这些问题的唯一解决方案是增大机座和/或底座的尺寸，从而增加了机器的成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种对准多臂测量机的臂参考系的方法，设计该方法以消除典型地与已知方法相关的上述缺点。
根据本发明，提供了一种多臂测量机的臂参考系的对准方法，如权利要求1所述。
本发明(其也应用于非笛卡尔机器和除了双臂系统以外的其它多臂系统)通过位于至少一个测量单元的结构上且可由其它单元测量的一个或多个参考件提供周期性地更新对准矩阵。
参考件可以是：
a)一个或多个已校准球体，其位于一个臂的端部上并容易被另一臂上的示踪器(tracer)接近，或者，其位于可与测量工具互换的并可容纳于工具更换贮存器中的专用工具上；
b)专用量规，如果机器仅装配有不能简单地测量上述球体的非接触式示踪器。
通过自动激活的或由操作员根据工件的类型或环境条件的变化(例如，温度变化)而激活的适当测量程序，本发明提供更新对准矩阵，从而改进测量性能并大幅降低依据机座和/或底座大小的成本。
此外，本方法可应用于两个臂共有的局部容积的实际由工件占据的部分，从而可能改进测量性能并增强系统的通用性，由此，这可用于测量大尺寸和小尺寸的工件(车身和面板)。
附图说明
将参照附图通过实例描述本发明优选的、非限制性实施例，附图中：
图1示出了根据本发明的双臂测量机的示意性平面图；
图2示出了图1的机器的示意性前视图；
图3示出了图1的机器的测量单元的示意性细节；
图4示出了在机器安装阶段对准图1中的机器的参考系的过程的流程图；
图5示出了参考件在图4的流程图中所示的过程中的位置；
图6示出了对图1的机器测量单元的参考系的对准进行更新的第一操作的流程图；
图7示出了对图1的机器测量单元的参考系的对准进行更新的第二操作的流程图。
具体实施方式
参照图1和图2，标号1表示作为整体的双臂笛卡尔测量机。
机器1基本上包括：限定水平参考面3的底座2；以及两个水平臂测量单元4、5，其用于相对于参考面3移动相应的测量工具6、7。
测量单元4包括可沿着引导件9移动的柱体8，该引导件沿着底座2的纵向侧边延伸并平行于一组定义与底座2结合的参考系的三个坐标轴X、Y、Z的轴X。引导件9可以是任何传统的类型，并仅在图1中示意性示出。
测量单元4还包括：安装至柱体8并可沿着轴Z沿着柱体8移动的支架10；以及安装至支架10并可沿着水平轴Y移动的水平臂11。
优选地，测量工具6通过已知的铰接头13(具有两个旋转自由度，用于调节测量工具6的位置)安装至臂11的端部凸缘12。
类似地，测量单元5包括可沿着引导件16(该引导件沿着底座2的与引导件9相对的纵向侧边延伸并平行于轴X)移动的柱体15；安装至柱体15并在平行于轴Z的方向上可沿着柱体15移动的支架17；以及安装至支架17并可在平行于轴Y的方向上移动的水平臂18。
优选地，测量工具7通过具有两个旋转自由度的已知的铰接头20安装至臂18的端部凸缘19。
测量单元4、5的移动部件和铰接头13、20由电机(未示出)控制，进而由连接至与机器轴相关的已知线性位置传感器(未示出)和连接至与铰接头13、20相关的已知角度传感器(未示出)的控制处理单元24控制。
如图3中更清楚地示出的，单元4的臂11的凸缘12方便地安装有用于下述目的的参考球体25。
每个测量单元4、5自身的测量容积由测量工具随着机器轴位置的变化而可到达的所有位置限定。当以“双臂”模式操作时，由M1和M2指示的两个测量容积不可避免地具有交叉部分I，并且共同限定机器1的测量容积M。
为了以双臂模式进行操作，必须对准两个臂的参考系，即，两个单元4、5的测量必须涉及共用参考系。
假设上面限定的X、Y、Z参考系是单元4(第一或“主要”单元)的参考系，那么可引入与单元5(第二或“次要”单元)相关的第二参考系x、y、z。
对准两个参考系包括旋转并平移次要单元5的参考系，以使它的轴与主要单元4的参考系的轴平行并且具有与之相同的原点(origin)。
数学上，这相当于应用坐标转换τ：
P＝τp＝T+Rp               (1)
其中：
P是主要系统坐标的三个分向量(X、Y、Z)；
p是次要系统坐标的三个分向量(x、y、z)；
T是确定次要坐标系的原点在主要坐标系中的位置的三个平移分向量(tx、ty、tz)；并且
R是旋转矩阵(3×3)。
当安装机器1时，单元4和5的常规几何补偿与测量工具6和7的合格化(qualification)之后接着进行单元4和5的参考系的对准，所述对准包括以下步骤：
1)获取两个参考系之间的角度误差，从而确定矩阵R的系数。
一种简单的、容易自动进行的仅确定旋转分量的方法如下所述(图4)。
与臂11一体的可移动球体25通过单元4沿着由交叉部分I(图4)处的平行于轴X和Z的平面(即Y恒定平面)中的n个位置限定的栅格连续移动，例如，被移入布置在三个水平行中的九个位置中(并因此限定相应的Z-和Y-恒定线r1、r2和r3-图5)。在每个上述位置中获取次要系统中的球体25的中心坐标Pi，并且，对由图4的流程图中的方框31至35定义的自动测量循环中的所有位置执行此操作。
通过优化方法，例如，最小二乘法，由此可以计算最接近x、y、z次要参考系中的9个点的平面(方框36)，并且计算次要系统中的轴X、Y、Z的方向(方框37)。
更具体地，可将方向Y的单位向量计算为垂直于所计算的平面。三行Z常数点用于确定在x、y、z系统中最接近它们的三条线。可从所述线的“平均值(mean)”的方向余弦计算方向X的单位向量，术语“等分线(mean line)”指的是由三条线与x、y、z系统轴中的每一个形成的角度的平均值所定义的线。
最后，可将方向Z的单位向量确定为方向X和Y的单位向量的向量积。
因此，到该过程结束时，可以知道轴X、Y、Z在x、y、z系统中的方向余弦以及由此知道矩阵R的分量(方框38)。
2)通过测量位于测量容积中一点处的固定球体的单元4和5确定向量T。
给定测量容积中的特定点在两个坐标系中的坐标，并且给定矩阵R，通过用单元4(方框39)和单元5(方框40)测量固定球体，并通过根据在两个参考系中获得的球体中心坐标来计算向量T(方框41)，可从(1)确定向量T的项。
到此过程结束时(该过程作为机器的后安装设置的一部分而执行)，可认为完成了参考系的对准。
然而，在实际情况中，矩阵R和向量T的分量可能随着时间相对于在机器安装阶段原始确定的那些分量而变化。
旋转分量可能受机器臂的几何形状和相互位置的变化(通常由于温度的原因)的影响，或者，受工件负载导致的屈服的影响。
影响多臂机器性能的最重要的热因素是被称为热漂移的因素，其导致传感器和机器的结构部件的变形，进而导致测量容积内的各点漂移。漂移量不仅取决于所施加的热应力的量，而且取决于测量容积内所考虑的点的位置。这种变形产生矩阵R和向量T的变化。
至于工件负载，这可能产生节距(pitch)和滚动(roll)的显著变化，臂和臂之间可能不同，或多或少取决于工件相对于臂的对称位置。
为了周期性地更新矩阵R和向量T，在将机器交予使用者之前，需要进一步的校准步骤，并且该步骤包括确定球体25相对于臂11(例如，相对于凸缘中心)的位置。这通过将球体25定位在测量容积M1和M2的交叉部分I的一点处来实现，在这个点处，可由单元5检测；并且，存储单元4所到达的坐标。
然后，用单元5的测量工具7测量球体25，并且，计算并存储可移动球体25的中心相对于单元4的臂11的坐标，从而基于单元4的机器坐标而给出球体25中心的位置。
上述校准步骤包括机器的安装。可由使用者执行下述参考系对准更新过程，不需要和上述过程的情况中一样的技术人员，并且，最重要的是，不涉及机器的长时间、高成本的停工期。
可完全地(向量T和矩阵R)或部分地(即，仅是平移分量)更新对准。
在工件重量显著变化的情况中，或在一周的第一次漂移中，或在环境温度显著变化的情况中，推荐完全更新，并且完全更新是可能每周一次的过程。
在测量工具和工件之间出现强烈碰撞的情况中(每当测量工具触针变为一种相同类型时)，或在环境温度缓慢变化的情况中，推荐部分更新，并且部分更新是可能每日一次的过程。
A)更新角度对准。
参照图6的流程图描述此过程。
激活自动测量循环(方框43至47)，以通过单元5在交叉部分I处的k个离散位置测量单元4上的可移动球体25。根据工件的类型，位置的数量可由使用者定义。
方框49计算一个或多个预定方向上的角度对准误差Er。如果检测到小于第一阈值的角度对准误差，那么认为单元4和5仍适当地对准，并且，延长更新过程(方框50)。
如果检测到角度对准误差大于基本上更高的第二阈值(S2)(方框51)，那么认为单元5的测量工具7不再合格，因此，中断更新过程以重新使测量工具7合格(方框53)。
最后，如果检测到介于第一和第二阈值之间的角度对准误差，那么，通过与初始对准过程相似的过程更新对准(方框52)(通过单元4沿着Y恒定平面中的各点的栅格移动可移动球体25，并且通过单元5测量可移动球体25；将定义方向Y的单位向量计算为垂直于接近已获得点的平面；从连续插入Z恒定点的各线计算方向X的单位向量；并且，将方向Z的单位向量计算为定义方向X和Y的单位向量的向量积)。
因此，计算剩余的旋转矩阵R’，其用来校正所存储的旋转矩阵R(新的旋转矩阵等于剩余的旋转矩阵乘以所存储的旋转矩阵)。
B)更新平移分量。
参照图7的流程图描述此过程。
可移动球体25用单元4定位在交叉部分I处的一个位置(方框56)并用单元5测量(方框58)；计算球体中心坐标(方框60)；并将平移误差Et计算为基于单元5的测量而计算的球体中心坐标和基于单元4的位置坐标而计算的球体中心坐标之间的差(方框61)。
如果检测到平移误差小于(绝对值或关于每个单独分量)第一阈值S3(方框62)，那么认为单元4和5仍适当地对准，并且，延长更新过程。
如果检测到平移误差大于基本上更高的第二阈值(S4)(方框63)，那么认为单元5的测量工具7不再合格，因此，中断更新过程以重新使测量工具7合格(方框65)。
最后，如果检测到介于第一和第二阈值之间的平移误差，那么，将向量T’计算为由单元5测量的球体中心坐标和由单元4的坐标得来的球体中心坐标之间的差，并且向量T’用来校正所存储的向量T(方框64)。也就是说，新的(校正的)向量T等于向量T’和所存储的平移向量的和。
执行过程A)和B)以实现完全更新，而仅执行过程B)以实现部分更新。
通过上述描述，根据本发明的方法的优点将是显而易见的。
特别地，只要影响操作条件的现象(碰撞、环境温度的变化、从一个工件变到另一个工件等)要求，就可由使用者频繁地更新单元4和5的参考系的对准。
更新过程本身较快，并且不涉及安装于地板的制造物(artifact)。
本方法确保机器随着环境条件变化仍具有较高的测量精度，不需要技术人员，并且不会延长机器的停工期。
最后，由于参考系的更新对准提供当对工件加载时底座或机座的屈服产生的补偿误差，在不改变精度的情况下可将底座和/或机座制造得更轻。特别地，可在地面上方使用机器，在该情况中，由于建筑物的结构阻力的原因，明显不能将机座制造得过于坚硬。
然而，明显地，在不背离所附权利要求的范围的前提下，可对本发明进行改变。
特别地，该机器可以包括不止两个单元，并且，单元可以是非笛卡尔的。
可利用不同的测量工具(例如，非接触式传感器)执行更新过程。最后，可以任何其它已知方式(例如，通过在单元4和5的测量容积M1和M2的交叉部分I处的不同位置连续地设置固定球体，并借助单元4和5确定不同位置中的球体中心坐标)执行初始对准过程。数学上，如果Pi和pi分别是在主要和次要系统中测量的位置，那么，通过将误差函数减到最小来确定旋转矩阵R：
F＝∑i(Pi-τ(R，T)pi)               (2)
例如，这可用最小二乘法来实现。明显地，球体位置i的数量越大，则近似性越好。
替代地，可使用复杂的制造物，包括，例如，预定相关位置中的多个球体。

Claims (8)

1.一种对准多臂测量机(1)的臂参考系的方法，所述多臂测量机包括至少两个测量单元(4，5)，每个测量单元具有可移动的臂(11，18)和能够通过所述臂(11，18)在相应测量容积(M1，M2)中移动的测量工具(6，7)；所述测量单元(4，5)的测量容积(M1，M2)具有交叉部分(I)，并将机器测量容积(M)整体定义为等于各个测量单元的组合的测量容积(M1，M2)；并且，所述方法包括以下步骤：
将至少一个参考件(25)装配至至少第一测量单元(4)的臂(11)；
使相应测量单元(4，5)的所述测量工具(6，7)中的每一个合格；
当安装所述机器(1)时，对准所述测量单元的参考系(X、Y、Z；x、y、z)；以及
通过用至少另一测量单元(5)检测所述参考件(25)周期性地更新所述参考系的对准；所述参考件(25)被所述第一测量单元(4)移入所述交叉部分(I)处的多个位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考件(25)刚性地固定于所述第一测量单元(4)的所述臂(11)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参考件(25)是球体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括通过所述另一测量单元(5)确定所述参考件(25)相对于所述第一测量单元(4)的所述臂(11)的位置的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述更新参考系的对准的步骤包括更新旋转矩阵(R)和平移向量(T)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述更新参考系的对准的步骤包括仅更新平移向量(T)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述更新步骤包括执行自动测量循环，在自动测量循环中，所述参考件(25)通过所述第一测量单元(4)定位在所述交叉部分(I)处，并由所述另一测量单元(5)测量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在检测到范围介于最小阈值(S1；S3)与最大阈值(S2；S4)之间的残留误差时，启动所述更新步骤。
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