CN102809358A - 坐标测量机 - Google Patents

Abstract

一种坐标定位机或坐标测量机(CMM)，其具有配置为驱动单独轴驱动器和允许TCP/IP接口上的外部装置连接的代理模块的微处理器控制单元。外部装置通过嵌入在微处理器控制单元内的超文本传输协议服务器用于用户交互，或用于包括动态参数调谐和校准的高级任务。

Description

坐标测量机

技术领域

本发明涉及一种自动坐标测量机(CMM)或一种配备有测量探头的计算机数控(CNC)机器，并且具体地，涉及这样一种机动坐标测量机，该机动坐标测量机设置有专用测量控制器，并且在管理、编程和适应考虑到测量系统中的变化的轴运动和探头提供较大的灵活性。

背景技术

如何使用设置有移动轴和可定向头的坐标测量机(也称为CMM)是众所周知的，位于可定向头的端部的探头使得可以测量加工零件或任意物体的表面的坐标，且可以从测量点提取信息从而确定点、线、面和简单的几何形状。具体已知以下坐标测量机：具有带三个线性正交轴的移动桥框的坐标测量机；或另外地，具有仅带有旋转轴的关节臂的坐标测量机，其中测量探头紧固到关节臂的末端；或另外地，组合了线性轴和旋转轴的坐标测量机。坐标测量机通常具有编码器，所述编码器用于沿着每个独立轴在给定瞬间确定测量的位置，并且通过适当的校准，用于精确地获得与每个测量点有关的坐标。

可定向头用于沿一个方向引导探头，以更靠近地移动待测量件而不会引起任何碰撞。测量探头可以是具有触针的触发探针，所述触针设置有设计成用于接触待测量零件的红宝石球(ruby sphere)，或者测量探头还可以是非接触式探头，例如光学探头。

还能区分手动测量机和机动测量机，在手动测量机中，探头由操作者手动移动，，所述机动测量机例如能够由操作者通过适当的远程方向控制确定自主运动，或根据基于模型或编程的预定程序来执行连续的接近运动以利用边缘检测系统确定尺寸。

机动测量机有利地用于多个类似的或名义上相同的零件的尺寸控制。它们使得可以实现不依靠操作者的可重复的测量，但是另一方面，它们还需要很多时间来开发自动测量条件下的程序。在该情况下，测量程序被预先建立并且接着以对每个零件始终相同的方式执行。通常，坐标测量机由计算机控制，例如专用的工业PC，其中测量程序以包括测量探头必须以给定顺序和预定速度来行进的路径的一序列操作的形式存储。数字控制器适于该机器且以已知的方式连接到位置编码器和各轴的马达，所述位置编码器控制各轴的位移的管理。

已知的测量机通由结合有出厂设置的若干个互联元件的系统控制。此外，为了限制动态影响，该系统限于比机器可执行的低很多的工作参数(例如：速度、加速度等)。此外，这些系统常常具有相当大的空间要求并且很难安装、维护以及与机器一起移动，并且它们增加了系统的尺寸。这些缺点对小型和中型系统尤为严重，且不适应这些类型的机器的动力学。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种比已知装置更简单且更紧凑的测量机。与众所周知的坐标测量机相比，本发明还能够通过提供对已知装置的调节过程的更好的动态管理来满足坐标测量机的需要。

根据本发明，这些目的显著地通过主要方面的目的来实现，而从属方面示出了本发明有利的变形实施方式。

附图说明

本发明的实施方式的示例由附图示出，其中：

图1概略地示出具有移动桥框的测量机；

图2概略地示出图1的测量机的结构；

图3概略地示出了根据本发明一个方面的控制单元的结构；

图4示出了采用本发明的测量机的使用的示例；

图5示意地示出了根据本发明一个方面的控制单元的结构。

具体实施方式

为了简洁的目的，下面的说明和附图将涉及坐标测量机(CMM)中的发明的实施方式。然而，必须理解的是，本发明不如此被限制并且可等同地应用于其他类型的定位机器和系统，例如像机床或机器人，其中测量头或测量工具连接到可移动的控制平台。同样，下面的说明关于具有三个线性轴和自由度的机器和相对运动控制器，但这不是限制本发明，本发明包括具有任意数量的线性轴或旋转轴的定位系统。

图1示出了具有移动桥框的传统类型的坐标测量机。待测量零件位于工作台20上。桥框40沿着水平轴Y相对工作台20行进，支架50能够在桥框的横向滑座上沿着水平轴X滑动，而测量头60能够沿着竖直轴Z移动以定位测量头和探头，从而通过在坐标测量机的三维测量空间中位于任意位置的探头来测量零件。测量头可被定向和指引以使得其可以将探针定向在为适于测量的方向。

桥框40、支架50的移动以及测量头60沿着轴XYZ的定位借助位置编码器(在该图中不可见)来实现且传送到控制单元，该控制单元能够捕获测量系统在检测工件表面时的瞬时的XYZ坐标。因此测量系统的取向、探头参数以及接近方向使得可以确定包括测量表面的取向的特性，并且可以计算由探针150的末端154测量的零件200获得的接触点的位置。测量头可分别是手动定向类型或机动类型，控制单元根据由可定向头的编码器或由之前测量的探头的给定取向的固定补偿供应的角度信息来计算接触点的位置。

在机动机器的情况下，根据记录在控制单元中的位移程序，或跟随操作者的实时控制(操作者例如通过键盘123或其他输入装置独立控制这些轴)，由马达(例如直流马达)执行沿着轴XYZ的位移。

在下面的描述中使用图1的坐标测量机，该坐标测量机包括依据桥框结构的三个线性正交轴。然而必须强调的是，该结构仅用于为所呈现的实施方式提供具体化的基础而不构成本发明的限制或必需特性，该结构还可适用于具有其他轴构造的机器，特别是具有更多或更少数量的线性轴的机器，以及/或具有一个或若干个旋转轴或线性和旋转轴的组合的定位系统，或适用于其中通过相互不正交的线性轴来确保定位的机器。

本发明还能够适用于设置有其他类型探头的测量机，这些探头例如为：扫描、光学或激光探头；或者具有电感或电容传感器、距离传感器、形状检测传感器、边缘检测传感器的探头；接触探头；触发探头；以及任意种类的变型，这些任意种类的变型的物理值变化用来推断与待测量零件的位置或尺寸相关的信息。本发明还可适用于组合待测量零件的位移和测量传感器的位移的机器，例如适用于具有移动的或旋转的工作台的坐标测量机中。

图2概略地示出了根据本发明一个方面的测量机的驱动系统和控制系统。测量探头150沿着合适数量的轴移位，在此示例中，三个轴X、Y、Z由三个驱动元件170x、170y、170z以及其各自的由控制单元控制的马达(在该文献的情况下也称作致动器)132x、132y、132z驱动。编码器136x、136y、136z向控制单元供应元件170x、170y、170z的位置。其他元件可向控制单元(例如保护开关、按钮或通知特定状态的模拟或触发传感器)补充事件信息。

在本发明的框架内，可以使用通过将旋转运动转换为线性运动或者通过线性系统以及它们提供的所有可能的直接或间接的驱动变量而能够确保驱动元件170x、170y、170z的平移运动的任何合适的系统。例如可以使用柔性的半刚性传递元件，例如线缆或带，或还可以是螺母型或滚珠丝杠或高精度齿条的螺旋连接。还能够使用直接产生平移运动的线性马达，例如线性电子马达、压电马达或超声马达。

根据任选的方面，图2的系统包括离合器134x、134y、134z，在非活动状态下，这些离合器能够使致动器与元件170x、170y、170z分离，因此，允许定位和测量系统的手动移位。

离合器由控制单元控制；当控制器不对机器专门控制时，这些离合器还能通过开关手动接合。当控制器起作用并且不需要来自操作者的操作时，其控制离合器且不允许用户在自动测量程序执行期间接管。还能设想到这样的力或位移检测系统，当传送的力矩或力超过预定阈值时，这些力或位移检测系统用于自发地使致动器132x、132y、132z与元件136x、136y、136z分离，而无需驱动致动器132x、132y、132z。操作者在操作期间还可以致动离合器以使一个或若干个轴自由移动。操作者还能够使用运动或力检测来操作需要机动辅助的大型机器来进行移位。离合器能够以不同方式(电动、或机械地起动或气动地起动)起动。

任选地，本发明的坐标测量机具有手动编程模式，在该手动编程模式中，控制单元致动离合器134x、134y、134z来部分或全部地分离致动器132x、132y、132z且允许测量系统手动移位。在末端154与待测量零件的接触期间，由编码器136x、136y、136z给出的瞬时位置使得可以在程序中计算并存储与测量点和测量操作的特征有关的信息。

控制单元120优选地被容纳在一减小尺寸的外壳中，以便由操作者抓握、紧固到CMM的基准工作台20或置于适当的支架上。优选地，控制单元将与坐标测量机分离以便使操作者、测量机和电子控制之间的热交换最小。该控制单元包括例如LCD显示屏320、键盘的输入/输出外围设备，并且能够包括：触摸屏；控制杆或另一个取向和定位装置；依据以太网、Wi-Fi、USB、RS422标准的通信接口；或例如以供应供随后使用的结果或用来打印测量报告的任何其他合适的接口。

图3以简化的方式示出了控制单元的可行结构。编码器136读取测量机的轴的位置。对于线性轴，编码器136能够是线性光学规则，或者也可以是能够提供精确位置信息的不同性质的编码器。在旋转轴的情况下，还可以使用角度编码器。编码器的位置由定位电路260读取且存储在计数器中，所述计数器可以通过数据总线290访问，所述数据总线例如SPI(串行外设接口)或I2C(内部集成电路)总线或任何其他串行或并行的专用或共用总线。

定位电路260优选地还包括至少一个插补单元，该插补单元用来测量每个主节距之间信号的相移并且因此能够以适于期望分辨率的精度确定机器的轴的位置。在典型的情况下，每个编码器136的位置记录在n位计数器中，向该n位计数器附加通过插补获得的节距分数上，从而提供附加的m位分辨率，以根据每个轴限定系统的位置。n和m的值可根据机器的尺寸、测量尺的技术以及所需精度而变化。

在本发明的框架内还可以想到，采用允许在每个瞬间确定绝对位置而不考虑规范长度(rule length)的绝对编码器类型。

微处理器210可被编程以读取坐标测量机的轴的位置，以控制致动器132，执行插补，存储已确定位置来校正每个轴的轨迹。在示例性示例中，坐标测量机具有由马达132x、132y、132z致动的三个线性轴，以及由马达驱动的一个或若干个旋转轴，例如可定向头。正如我们已经提到的，本发明适用于具有若干个自由度用来以重复和精确的方式测量确定空间中的位置的任何机器。

在本发明的框架中，微处理器210是单片机，但是，在更复杂机器的情况下，也可以设想为具有若干个芯片的结构，使得可以增加并行处理能力，定位的分辨率，或者设想为具有专门化了每个计算器或检错冗余的功能的专用任务的结构。根据可行的变形，微处理器210能够集成模数转换器和定位电路，或者其一部分可以通过微处理器程序中的软件资源执行。

在上述的本文中示出的手动编程模式中，处理器210产生必要的指令以例如通过气动离合器来分开耦合装置134，或在移位中辅助操作者，并且记录由编码器136给出的位移和位置，通过点和测量点，以便能够以相同的方式复制他们。该创造性的控制器还能优选地接收外部程序，例如，通过以太网接口或采用USB。该程序以一连串位置和以预定速度和加速度行进的轨迹的形式记录在RAM 211中。该程序还能包含校准或对准命令、自动序列和手动序列、探头变化、探头取向的变化、组合结果、在手动编程中添加的并以产生测量报告的比较结果。

在自动测量模式中，微处理器210再次占据这些位置和之前记录的轨迹，并且通过对每个致动器的位移命令来控制位移单元以便他们实时实现该轨迹的段。接下来，在每段处，将该结果与待执行的轨迹进行比较，并且后面的段根据测量的位置误差和期望的轨迹来适应，以便在测量时刻的最终接近期间，该系统按照直线轨迹相对于表面的法向轴线接近待测量表面。

优选地，本发明的系统配置为使得当探头接近测量点时，系统以恒定速度执行线性的直线位移，而没有加速度，以便最小化对于测量精度有不利影响的动态效应。

参见图4，该系统任选地存储特定于待测量表面的取向并且特别是相对于用于测量该点的方式的交叉点。因此起始点和交叉点之间的行程可以用考虑了机器的每个轴上的加速度的必要曲线以最优的方式来形成。

传送到轴的命令例如可以是位移指令，该位移指令将由轴操纵单元转换为旋转和速度信息，或者可以具有能按照用于期望行程的移动轴的负载和数量编程的加速度或减速度。通过这些动态参数化的变化，可以在当例如Z轴处于高位时的低偏转测量情况中优化快速位移。但是这还可在当可定向头具有相当大的质量时实施，以便在特别猛烈的加速中防止Z轴遭受惯性效应或额外的角度扭矩。

致动器132a至132z例如是与用于调节无论任何扭矩的马达速度的转速计耦合的电动直流马达。致动器单独地由操纵电路通过速度调节回路伺服控制。操纵单元141x至141z包括控制电路或控制软件程序，所述控制电路或控制软件程序借助转速计的测量被调谐以尽可能接近期望的轨迹来执行微处理器210所需要的位移，接着向微处理器供应回一执行确认并且等待下一个段的命令。这例如能通过PID(比例-积分-微分控制器)控制环或通过任何合适的控制算法来实现。操纵单元141、141x、141y、141z均包括在图5中示出的存储寄存器145，所述存储寄存器145用于存储数字控制算法的操作参数，例如PID系数，或任何其他动态状态信息，并且所述存储寄存器可以访问微处理器来修改和调谐，如后面将会看到的。

在一个变形实施方式中，依据该系统的动态特性，且考虑到定位系统以及附接的探头或工具的质量和惯性，该系统能够调谐存储在寄存器145中的参数以便最优化轨迹精度。该动态调谐例如通过分析该系统对于实时位移指令的动态响应来实现，从而计算动态模型，因此用于寄存器145的最佳动态参数能通过已知的方法来计算。

优选地，动态调谐由在外部装置600上运行的外部管理程序来实施，该外部装置600通过合适的数据接口270(例如TCP/IP接口)连接到控制单元120，并且通过控制单元120中的代理模块275作用在动作操纵单元141上，或者优选地，实施为微处理器单元210中的软件元件。外部装置600例如可以是笔记本电脑或个人计算机，使得动态调谐能够采用笔记本电脑的计算资源和用户接口。

根据本发明的这个方面，用于调节操纵电路的动态参数可以通过实施恰当的数字系数而被修改。有利地，控制参数能适应于不同的情况，例如适应于不同质量和尺寸的测量头150，以实现每个工具的最佳的引导精度。依据预定表格或通过已知的算法，微处理器单元也适应于这些参数。

根据本发明在图4中所示的一个方面，微处理器210设计为用于向操纵单元141发送命令以便向操纵单元141发送要运行的轨迹，并且如果必要，根据测量条件来修改他们的响应。该机器被编程以利用接触探头150跟随编程的轨迹380来测量零件200的三个点mp1、mp2、mp3的坐标。该轨迹380包括交叉点wp1、wp2、wp3、wp4，并且使得其可以在探头150和待测工件200之间无碰撞的情况下测量期望的点。为了简化的目的，所示的示例仅仅包括直线段，但必须理解的是，本发明的控制器还可引导探头150顺随曲线路径，所述曲线路径例如包括圆弧、螺旋线、多项式函数或测量点和位移点之间任何其他优化的曲线。

在程序的起点处，处理器210采用设法实现快速移位的第一调节参数来编程轴操纵单元141x至141z。接着，在位移期间，处理器210周期性地(例如每毫秒)读取存储在定位电路260中的坐标，计算轴操纵单元的指令位置以跟随期望的路径，并且向轴操纵单元传送位置指令，所述位置指令接着转换为速度指令从而在预定距离中操纵马达。当探头到达第一交叉点wp1时，控制器以随机方式修改调节参数以仅仅将指标性反应(index reaction)引入到测量轴。该测量因此可涉及若干个轴操纵单元，因此防止横向于测量轴的定位误差影响测量的方向和测量阶段期间的接近运动。

转变点tp1标记了到测量点mp1的最终接近阶段的开始。处理器例如基于到测量点mp1的距离和当程序存储时采用的接近方向来确定点tp1。当探头经过转变点时，处理器发送适当的指令来将运动减慢至恒定且已知的速度，且以设法消除加速度和减速度的第二组调节参数来编程轴操纵单元141x至141z，因此防止向测量点的横向于接近向量的运动。在转变点tp2(图4)，程序从接近模式变为正常模式。处理器对调节参数重新编程且发送适当的位移命令来执行通过交叉点wp2、wp3的轨迹380。一旦到达转变点tp3，则处理器再次切换到接近模式，重新编程调节参数，且执行点mp2的测量。对于点mp3等重复该过程，直到测量程序终止。

根据本发明另一个可选的方面，控制器120还包括模块化的微型计算机300，该微型计算机控制测量程序且执行测量数据的高级处理，管理用户接口，以及控制输入-输出外围装置，这些外围装置例如为显示屏320、键盘、控制杆(未示出)、USB输入输出接口、串行或以太网类型(例如打印机输出400)。根据变型的实施方式，微型计算机模块300与微处理器210或外部计算机通过例如使用按照I++或I++DME标准的TCP协议的以太网总线来通信。

微型计算机例如可以是pico-ITX模块或基于超紧凑主板的另一个微型计算机。有利地，这些系统能够适应先进的嵌入式操作系统，例如Windows CE，Linux或android，因此提供大的灵活性和完整的发展环境，该环境能够管理标准外围设备并能够产生与传统微计算机相比简化功能的系统，且限定于嵌入式应用的可能，因为例如输入-输出的选择从开始就完整限定。

根据本发明的另一个方面，控制单元120包括可由连接到数据接口270的一个或更多个外部单元600访问的超文本传输协议服务器。这样，到控制单元的用户接口可在外部单元600上获取，该外部单元在传统的网络浏览器上运行。本发明的该方面允许例如诊断测试的执行，测量程序的编程，校准或数据收集。任选地，寄存器145中的参数的动态调谐也可通过超文本传输协议服务器278与控制单元210通信。

Claims (9)

1.一种坐标定位机，该坐标定位机具有：

测量头或工具，所述测量头或工具连接到能够按照一个或若干个位移轴来平移的移动平台；

一个或若干个致动器，所述一个或若干个致动器配置为用于沿着所述位移轴移动所述测量探头；

一个或若干个编码器，所述一个或若干个编码编码器对所述位移轴的位置进行编码；

控制单元，该控制单元包括适于调节所述致动器中的一个的速度和/或位置的独立的数字轴操纵单元，其中一个或若干个所述数字轴操纵单元均包括用于存储该数字轴操纵单元的操作参数的存储寄存器，

所述控制单元包括微处理器单元，该微处理器单元被编程为用于：

从所述编码器读取所述位移轴的位置；

计算位移指令，并基于位移程序将所述位移指令传送到一个或若干个所述数字轴操纵单元；

通过访问相应的一个或若干个所述存储寄存器来设定一个或若干个所述数字轴操纵单元的操作参数，

所述控制单元还包括通信接口和代理模块，所述代理模块配置为响应于由所述通信接口接收的数据来设定一个或若干个所述数字轴操纵单元的操作参数。

2.根据权利要求1所述的坐标定位机，其中，所述代理模块配置为响应于由所述通信接口接收的数据而向一个或若干个所述数字轴操纵单元传送位移指令，和/或配置为向所述通信接口传送所述位移轴的位置。

3.根据权利要求1所述的坐标定位机，其中，所述控制单元包括超文本传输协议服务器。

4.根据权利要求1所述的坐标定位机，其中，将所述代理模块编程到所述微处理器单元中。

5.根据权利要求2所述的坐标定位机，该坐标定位机结合有调节单元，该调节单元被编程以调谐经由所述通信接口存储在一个或若干个所述数字轴操纵单元的所述寄存器中的操作参数。

6.根据权利要求5所述的结合，其中，所述调节单元配置为向一个或若干个所述数字轴操纵单元发出位移指令，并且基于所述位移轴的运动来计算存储在一个或若干个所述数字轴操纵单元的所述寄存器中的操作参数。

7.根据权利要求1所述的坐标定位测量机，其中，每个致动器均连接到转速计，所述转速计向所述数字轴操纵单元供应速度信号，所述数字轴操纵单元适于基于所述速度信号调节所述致动器的速度。

8.根据权利要求1所述的坐标定位机，其中，所述工具包括能够测量工件表面上的点的坐标的测量头。

9.根据权利要求1所述的坐标定位机，其中，所述轴包括平移轴和旋转轴。

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