CN103968766B - 坐标测量机的动态监测和建模 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及坐标测量机的动态监测和建模。该坐标测量机包括基座、探头、机器结构和至少一个驱动机构。利用第一组状态变量限定动态模型。对第一组状态变量中的至少一个状态变量监测，并基于该监测确定至少一个状态变量的变化，利用关于至少一个状态变量的所确定的变化的更新的状态变量来设定第二组状态变量。将第二组状态变量用作第一组状态变量来更新动态模型，至少基于第二组状态变量来计算坐标测量机的至少所述部分的实际状态。

Description

坐标测量机的动态监测和建模
技术领域
本发明大体上涉及一种用于提供坐标测量机的动态状况信息的方法，并且涉及一种用于执行该方法的坐标测量机。
背景技术
惯例的做法是在坐标定位装置(例如坐标测量机(CMM))上对生产之后的工件进行检查，用来检查预定目标参数的正确性，如目标的尺寸和形状。
在常规的三维坐标测量机中，探头被支撑为用于沿着三个相互垂直的轴线(沿方向X、Y和Z)而运动。因此，探头可以被引导到坐标测量机的测量体积的空间内的任意一点处，并且由探头携带的测量传感器(探针)使得所述目标是能够测量的。
在测量机的一个简单形式中，平行于每个轴线安装的合适的传送器能够确定探头相对于测量机基座的位置，进而确定传感器所靠近的目标上的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型的坐标测量机可包括：其上布置有探头的框架结构；以及驱动装置，该驱动装置用于使框架结构的框架构件相对于彼此进行运动。
为了测量表面变量，已知基于使用触觉传感器和光学传感器的两种测量原理。
通常，为了提供具有改进测量精度的坐标测量机，因而其框架结构通常设计为具有较高的静态刚度。为了获得稳定和刚性的机器设计，通常框架结构或至少部分框架结构由石头制成，例如花岗岩。除了象热稳定性和良好的阻尼特性之类的所有积极效果之外，花岗岩还使得机器和可动框架元件相当重。另一方面，较大的重量对于适当的加速度还需要较大的力。
如果应用该技术，则还具有几个可能的误差源。当相对于另一部件移动一个框架部件时，机器零件的共振或振动正好是动态误差的两个实例。而且，来自机器外部的振动产生的误差也要被考虑。此外，可能发生静态误差，例如缺乏运动的直线度和各轴的正交度或线性驱动机构中的横向偏移。
根据许多的方法，仅静态地分析所述误差，尽管这些误差也包括取决于轴的运动的动态因素，尤其是当轴移动时取决于位置、速度、加速度和加速度变化率。通过基于速度的校正，而以相对简单和不灵活的方式考虑了这个事实。尽管静态误差可通过使用位置校正矩阵在数值上被降低，但当试图补偿动态误差时事情会变得更加复杂。
当考虑到动态误差时，例如所述的振动或共振或动态力等等，校正甚至会变得更复杂，这些动态误差不仅能影响产生误差的轴，而且还能够“串扰”到其它的轴，并且导致系统其它部分上的误差。此外，潜在的影响也取决于环境条件，例如温度、湿度、空气压力等等，并且尤其是它们也将在机器的整个使用寿命期间变化。
在那种情况中，例如，必须考虑到机器一个轴(其能够移动另外的垂直轴和探头)的加速度能够导致坐标测量机的整个框架的线性和有角度的动态偏差，所述动态偏差继而导致测量的不确定性和误差。这些动态测量误差可通过在较低的加速度下进行测量而被减少，例如通过因此被优化的所期望的运动轨迹。
已知的方法是，通过被称为输入成形的技术来试图抑制由机器的加速产生的偏差、振动和／或摆动，该技术控制调节变量，例如推进马达的力或电流，从而通过对驱动致动器控制的输出的因而被操纵的变量而绕开机械共振并避免共振频率或者乃至积极的反作用力振荡的激励。
而且，模型预测控制作为以下的控制形式能够被应用于坐标测量机(CMM)，在所述控制形式中，利用装置的当前状态作为初始状态，通过在每个采样瞬间解决有限阶段的开环优化控制问题而获得当前的控制动作。该优化产生最优控制序列，并且序列中的第一个控制因此被应用于所述装置。
误差处理的示例EP1559990公开了一种坐标测量系统以及校正在坐标测量机
中所测量的坐标的方法，从而测量在坐标测量机上安装具有不同重量的部件时产生的几何误差。从每一部件的重量的测量结果中推导出补偿参数，并且存储该补偿参数。适当地读出对应于待被测量的部件的重量的补偿参数，以校正待被测量的部件的已测出的坐标。
作为另一个示例，EP1687589公开了一种坐标测量机中的误差补偿方法，该测量机具有包括表面检测装置的铰接的探头。该表面检测装置在测量期间绕所述铰接的探头的至少一个轴而旋转。该方法包括以下步骤：确定设备的整个或部分的刚度；确定与负载相关的一个或多个因子，该负载由铰接的探头在任意特定时刻施加；以及确定由所述负载引起的表面检测装置处的测量误差。
利用坐标测量机(CMM)进行工件测量的误差校正的另一种方法公开在GB2425840中。由此，利用工件传感探针进行位置测量，在工件传感探针中设置有测量加速度的装置。针对例如由振动引起的那些高频(不可重复的)误差以及例如由探针上的离心应力引起的那些低频(可重复的)误差，对测量进行校正。校正方法包括：测量工件；确定来自于预定误差函数、误差图或误差查询表的可重复的测量误差；测量加速度并计算不可重复的测量误差；将第一测量误和第二测量误差进行结合以确定整体的误差；以及使用整体误差对工件测量进行校正。使用已知尺寸的加工品来计算预定的误差图。
同样已知的是使用加速度计，该加速度计被装配在探针中或测量机的其它移动部件上，例如Z柱和／或基台中，从而允许进行差动测量和／或外部施加振动的评估。在该布置中，探针位置的位移和误差能够利用二重积分来测量，并且基于该信息能够调整二重积分信号和标尺之差的读数。例如，WO02／04883公开了这种准静态的方法。
对于处理上面所述的误差，尤其是动态误差，通常要限定CMM的合适的模型，其中尤其是CMM的框架结构的定置行为能够基于该模型而被描述。示例性地，可以定义查询表，以查询与CMM的框架部件的实际定位相关连的校正值。随着CMM部件的重量(以及刚度)的降低，CMM的这种建模将变得更重要。
重量的降低是关于坐标测量机的设计的重要主题，就像如果所构建的机器部件包含更少的重量(以及更低的刚度)，则通过引起影响坐标测量机更少的力而能够获得各个构件的更快的定位。另一方面，由机器部件的降低的刚度和(更快的)运动所引起的机器振动和扭矩的影响，将随着这些零件的重量的降低而增大。因此，推导出的测量值的不确定性以及从这些变形和振动产生的误差将随之增大。用于提供坐标测量机误差补偿的已知的建模，对于影响CMM的测量性能的误差的增加量并不能进行计算和补偿。此外，为了补偿由重量降低的CMM所得到的测量值，这种建模并不能以较高的精度持续地处理或确定不同种类的误差。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于提供CMM的状态的可靠的计算，尤其是其中持续地提供对所述状态的的计算的改进方法。
本发明的另一目的是提供对从所测量的位置以及用于这些位置的推导出的误差值而得到的校正位置值的算法。
本发明的又一目的是提供一种确定机器振动和／或变形的改进方法，并且尤其是一种用于补偿由这些振动和／或变形导致的误差的改进方法。
本发明涉及一种用于为坐标测量机的至少一部分提供动态状态信息的方法，该坐标测量机包括：基座；探头；机器结构，该机器结构具有用于将所述探头连接至所述基座的结构部件；以及至少一个驱动机构，该驱动机构用于为所述探头提供相对于所述基座的可移动性。此外利用第一组状态变量限定动态模型，该状态变量与所述坐标测量机的至少所述部分的一组物理特性相关，并且代表所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。将所述第一组状态变量提供到数据库中，并且通过基于所述动态模型计算而推导出所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
根据本发明，对至少一个状态变量进行监测，并且基于该监测确定至少一个状态变量的变化，其中利用关于所述至少一个状态变量的所确定的变化更新的状态变量来设定第二组状态变量。附加地，将所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型，尤其是其中，至少基于所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
因此，在本发明的特定实施方式的情况下，从第二组变量计算得到的实际状态对应于CMM的连续状态(根据下一个时间步骤)，其中连续状态由所监测的状态变量的变化所限定。因而，关于状态变量的变化的连续状态作为CMM的新的实际状态而被计算。此外，在确定了没有变化(即，第二组状态变量对应于第一组状态变量)的情况下，所计算出的连续状态基本上对应于前一个状态。
相比于如从现有技术已知的仅仅对加速度信号进行积分(例如，为了得出速度或位置信息)或者通过对速度信号积分，通过使用根据本发明的模型和监测方法，将不会有随机游走的影响，而这些影响容易在积分加速度传感器或速度传感器中产生。此外，不仅是由被控制的机器的运动所引起的误差，而且由机器环境所引起的误差(例如，由在相同的生产车间中运行的其它机器引起的)均能被确定和补偿。
根据本发明另一个实施方式，将所述第一组状态变量和所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型，其中至少基于数据库中的所述第一组状态变量和所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
本发明的更具体的实施方式涉及基于所述动态模型推导出所述坐标测量机的至少所述部分的实际偏差，和／或基于所述模型推导出所述坐标测量机的指定点的实际位置，和／或基于所述模型补偿测量误差。
优选地，上述发明适用于计算所述坐标测量机的至少一部分的偏差，并因此，尤其提供用于CMM的校正值。根据上述具体实施方式，提供了对于所述机器的一部分或机器上的指定点的绝对位置(包括偏差和／或校正值)的计算。
根据本发明的具体实施方式，通过以下方式来执行状态变量的监测，尤其是对至少一个状态变量的变化的确定：测量至少一个物理特性，并由此推导出至少一个对应的实际状态变量，和／或通过基于计算尤其是基于估计的模型来推导出用于至少一个状态变量的实际值，和／或使用所指定的调整值来设定至少一个状态变量。
尤其是，至少一个状态变量的变化是由至少一个物理特性的变化而引起的，尤其是由所述机器结构的至少一部分和／或所述探头的运动而引起的，或者由影响所述坐标测量机的外力而引起的。例如，探头以相对高的速度移动并且在测量空间中碰触到未被限定的结构。由于这种碰触，因此使得相当大的弯曲力被分别施加在探头或探针处，并且引起了所测量的偏差值的变化。
在监测至少一个状态变量的情形下，应当理解的是，至少执行对物理特性的测量以及由此推导出对应的状态变量，或者直接从基于估计的模型或使用校正值来推导出状态变量的值。因此，监测步骤以及尤其是所监测的至少一个变量的变化限定一观测值，该观测值用于根据新的对应的系统状态来调整所述模型。
此外，根据本发明的另一实施方式，状态变量限定了所述坐标测量机的至少所述部分的下列值中的至少一个值或下列值的组合和／或相应值的变化：
·加速度(线性的和／或旋转的)；
·速度(线性的和／或旋转的)；
·位置(线性的和／或旋转的)；
·弯曲；
·变形；
·位移(线性的和／或旋转的)；
·取向；
·温度；
·湿度；
·扭矩；和／或
·力。
此外，根据本发明的另一实施方式，至少一个状态变量的变化是由所述坐标测量机的至少所述部分的下列物理特性中的至少一个物理特性和／或相应的物理特性的变化而推导出的，尤其是通过测量至少一个物理特性而推导出的：
·加速度(线性的和／或旋转的)；
·速度(线性的和／或旋转的)；
·位置(线性的和／或旋转的)；
·变形；
·扭矩；和／或
·力。
因此，状态变量的变化可由至少一个物理特性引起。
关于本发明的特定实施方式，至少一个状态变量是通过利用传感器测量所述坐标测量机上的激励和／或冲击而推导出的，和／或通过从路径轨迹计算而推导出的，尤其是其中至少一个状态变量是从确定相应的物理特性而推导出的。
关于这方面，可提供用于(补偿)模型的可能的输入值，以提供用于计算实际的系统状态、加速度、速度、取向、扭矩或力的信息或这些输入中一些输入的组合的参数。一些输入值可以通过测量值来确定，而一些输入值可以从路径计划轨迹中计算出。此外，输入值可以通过偏差的测量而被直接确定。
本发明的另一方面涉及基于所述模型计算建立时间并且产生建立信号，以补偿由所述坐标测量机执行的测量。所述建立时间表示用于保持限定测量位置的持续时间，以实现预定的测量精度。
具体地，对所述设定信号进行处理，以控制所述探头相对于测量点的限定位置的重新定位和／或保持，或者用于产生输出信号，尤其是声音信号和／或光信号，以向操作者提供信息从而以预定的测量精度进行手动测量。
因此，可以使用动态模型来计算所需的特定建立时间，以在利用CMM的探测过程中获得限定的精度。此外，所述模型可被用于在扫描运动期间优化轨迹限制(例如，关于加速度变化率(jerk)或加速度)以实现所限定的精度。因此，根据本发明的模型的使用和计算允许优化测量速度，并且允许在不妨碍精度目标的前提下提高生产能力。
根据本发明的特定实施方式，对物理特性进行监测尤其是进行测量并且将所监测的物理特性提供到所述数据库中，并且至少基于所述数据库中的所述第二组状态变量以及所监测的物理特性，来计算所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
具体地，利用这些状态变量的变化来监测时间的变化，并且将时间信息指配给所述数据库中的每一组状态变量。根据这些附加的时间信息，历史模型数据的计算可被进一步改进，而且关于测量或监测时间间隔的差可以通过实际机器状态的计算而被精确地考虑。
关于本发明的另一方面，对所述状态变量，并且尤其是物理特性以限定的监测间隔尤其是以监测频率进行监测，和／或根据所监测的状态变量的连续变化的第三组或更多组状态变量基于该变化被设定，并且将所述第三组或更多组状态变量增加到所述数据库中，并且所述坐标测量机的至少所述部分的实际状态至少基于所述数据库中的所述第一组状态变量、所述第二组状态变量和所述第三组或更多组状态变量来计算。CMM(或其一部分)的实际状态的计算可基于限定的或数目变化的组的状态变量(例如，取决于精度要求或运动参数)，并且因此可以考虑历史系统数据的更宽的频谱，
以更精确地推导出实际状态并且用于描述例如系统的振动行为。
根据本发明，关于模型的建立，可以选择几个建模的方法以提供用于该方法的合适的模型。
根据本发明的特定实施方式，在2013年2月5日提交的欧洲专利申请No.EP13153954.6中描述的建模方法可以用于获得具有少数元素的模型(例如，线性轴)并且用于保持相当低的处理时间。
根据本发明的另一实施方式，采用了一种CMM的相关部分的二维模型，如果在不同建模平面之间的交叉联接可以忽略不计，则这种方式就是可行的。可以提供例如在XZ平面和YZ平面中的独立建模(例如，不带主探针和／或探头的CMM的Z轴柱塞被限定)。这种二维模型可以被解析地建立，并且有利的是其需要最少的计算功率。
根据本发明的另一实施方式，限定了联接的二维模型，其中不同平面之间的受限的交叉联接是可行的。可以采用在XZ平面和YZ平面中的独立建模，其中限定了在XY平面中的经由扭矩形成的联接。示例性地，可以利用该方法对具有关节式探头的Z轴柱塞进行建模。与三维的全建模相比，联接的二维模型所需要的计算功率仍然较少，并且模型也可被解析地建立。
此外，根据本发明的特定实施方式，提供了一种三维建模，其中如果平面之间的主要交叉联接的影响待被表现出则三维模型可以是优选的。在该情况下，由于复杂性，因此来自机器人应用的迭代和／或递归的多体算法，例如，费瑟斯通或牛顿-欧拉可以是优选的。具体地，为了减少计算要求，费瑟斯通算法将是有利的。
关于对实施的模型进行求解，必须特别注意在时间步长中的积分，以最小化用于计算一个时间步长所需的计算功率。
因为二维建模(以及耦合的二维建模)最有可能被解析地进行，因此这些模型的积分可以依次通过对每个(或几个)离散时间步长的以下步骤来完成：
·通过以下生成连续时间的非线性的状态空间表达式：
y(t)=CC[x(t)]·x(t)+DC[x(t)]·u(t)；
以及
·以当前时间步长计算矩阵元素的数值。
·通过以下借助将数值连续时间的状态空间系统转换为离散时间的状态空间表达式进行积分：
以及
其中，CDk＝CC(k·T)，DDk=DC(k·T)，xi代表根据计算步长的状态变量，yi代表模型输出(机器状态)。
可选地，在本发明的情况下，可选择以下方法中的一个：
o xk+1=A*xk+B*uk；yk=C*xk+D*uk或者
o xk+1=A*xk+B*uk-1；yk=C*xk+D*uk-1或者
o xk+1=A*xk+B*uk；yk=C*xk+D*uk-1。
根据本发明，对A和B矩阵向离散时间转换的计算，可以通过一个以下的方法或通过其它合适的算法，可示例性地由“Matlab”软件来执行：
o ZOH-等式：
具有采样时间T；
o ZOH-等式的简化求解：
o塔斯廷(Tustin)的近似；
o ZOH-等式的泰勒近似：
ADk＝Ｉ＋A·T·Ψ；ＢＤk=Ψ·T·B
其中
其中，ZOH-等式的这种泰勒近似的优势在于，能够通过降低精度要求来优化所需的计算功率；和／或
o帕德(Padé)近似。
·通过执行离散时间状态空间表达式来更新状态值。
向离散时间的转换可提供带有减少的积分步长的更稳定的积分方法，并因此降低了计算的需求。
如上所述，三维建模可通过例如费瑟斯通(Featherstone)的递归／迭代刚体算法来完成。其中，每一时间步长的等式还可以写成矩阵表达式。与状态空间算法相似，该积分采用矩阵指数eＡ·T计算。特别地，该计算可通过泰勒近似或帕德(Padé)近似而近似得到。
在以下文献中更详细地描述了至少关于以上所概述的方法的模型的建立和求解：“Robotics-Modelling，Planning and Control(机器人-建模、规划和控制)”，BrunoSiciliano、Lorenzo Sciavicco、Luigi Villani、Giuseppe Oriolo；Springer(施普林格)，第二次印刷，2008年12月；“Dynamics-With Applications to Multibody andMechatronic System(应用动力学-多体和机电一体化系统的应用)”，Francis C.Moon，Wiley-VCH(化学学报)，第一版，1998年6月；以及“Rigid Body Dynamics Algorithms(刚体动力算法)”，R.Featherstone；Springer(施普林格)，第一版，2007年12月。
本发明还涉及一种坐标测量机，该坐标测量机包括基座、探头、带有用于将探头连接到基座的结构部件的机器结构、用于提供探头相对于基座的可移动性的至少一个驱动机构、以及适于执行建模功能的控制和处理单元。在执行建模功能时，限定了带有第一组状态变量的动态模型，这些状态变量与坐标测量机的至少一部分的一组物理特性相关并且表示坐标测量机的至少所述部分的实际状态，将第一组状态变量提供到数据库中，并且坐标测量机的至少所述部分的实际状态通过基于动态模型计算而被推导出。
此外，根据本发明，在执行建模功能时，对第一组状态变量中的至少一个状态变量进行监测，并且基于该监测，确定至少一个状态变量的变化。另外，利用关于所确定的至少一个状态变量的变化的更新的状态变量来设定第二组状态变量，并且将第二组状态变量用作第一组状态变量从而对动态模型进行更新，尤其是其中，基于至少第二组状态变量计算坐标测量机的至少所述部分的实际状态。
具体地，坐标测量机的控制和处理单元用于执行根据本发明的如上面概述的方法。
根据本发明的特定实施方式涉及一种坐标测量机，该坐标测量机包括传感器，该传感器用于监测物理特性，尤其是用于测量坐标测量机上的激励和／或冲击，该传感器尤其是加速度传感器和／或偏差传感器和／或振动拾取器。由这种传感器产生的信号被提供给CMM(提供给控制和处理单元)，并对这些信号进行处理以推导出用于至少一个状态变量的实际测量值。
此外，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有计算机可执行的指令，以尤其是当在根据本发明的坐标测量机的控制和处理单元上运行时来执行根据本发明的方法。
附图说明
下面参考在附图中示意性显示的工作示例仅以示例的方式，更加详细地描述或解释根据本发明的方法和装置。具体地，
图1示出了根据本发明的坐标测量机的第一示例性实施方式；
图2示出了根据本发明的坐标测量机的第二示例性实施方式；
图3是示出了根据本发明的具体实施方式的模型和计算的一般原理的框图；以及
图4a至图4d示例性地示出了根据本发明的关于现实和基于模型计算，尤其是基于模型计算的一个系统随时间的改变以及由该改变引起的位移的变化。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的门型坐标测量机1(CMM)的示例性实施方式，该坐标测量机1包括基座11以及用于将探头15连接至基座11的框架结构，该框架结构包括若干个能够相对于彼此移动的框架部件12、13、14。第一框架部件12是具有两个门型腿的门架，它们通过位于其顶端的桥接部分而连接。框架部件12在驱动机构(未示出)的驱动下，能够沿着基座11的纵向侧面移动。该方向对应于第一方向X。框架部件12的移动尤其是由附接到基座11的齿轮齿条来执行，所述齿轮齿条与框架部件12上的小齿轮相啮合。
滑架14以可移动的方式布置在框架部件12的桥接部分上。滑架14(其可以被看做是另一个框架部件)的移动也可以通过齿条和小齿轮来实现。竖直杆13(套筒，Z轴柱塞(Z-ram))作为另一个框架部件以可移动的方式结合在滑架14中。在竖直杆13的底部处设置有探头15。
探头15可以在X、Y和Z方向上移动至坐标测量机1的测量体积(工作区域)中的任意期望点处。测量体积由基座11和框架部件12、13并且尤其是由滑架14的可移动范围所限定。三个空间方向X、Y和Z优选地彼此正交，但这对本发明不是必须的。应当注意的是，用于驱动框架部件以及因此用于驱动探头15的驱动机构和控制器并没有示出。
待被测量的目标5被定位在基座11上的测量体积的空间内。
探头15被紧固在杆13的下部自由端上，在探头上示例性地布置有触针。该触针以其本身已知的方式被使用，以接触待被测量的目标5。然而，本发明并不限于是接触式坐标测量机，而是同样可以被用于以非接触方式接近测量点的坐标测量机，即，例如具有光学扫描头的坐标测量机。更一般地，可将探头15设计为用于布置接触式探针，例如扫描或接触触发式探针，或者是非接触式探针，尤其是光学、电容或电感探针，或关节式探针。
可动构件与导引件之间的两种最常用的轴承类型是空气轴承或球轴承(例如，线性循环和导轨(1inear circulating plus rails))。空气轴承具有的优点是在运动中不存在摩擦(其有可能引入如角误差或滞后等其他不同类型的误差)。空气轴承的缺点是刚性比球轴承低，从而可能产生尤其动态的误差。在球轴承类型中，轴承系统的刚度通常较高，但是会有摩擦且摩擦力可能带来误差。然而，本发明可应用该两种类型的轴承。
综上，建立坐标测量机1用于确定待被测量的目标5上的测量点的三个空间坐标，并且因此该坐标测量机包括三个线性驱动机构，用于提供探头15相对于基座11在第一、第二和第三方向(X、Y和Z方向)上的可移动性，并且具体地包括为了提供附加的旋转自由度的机器部件(例如，关节式探针)。
每个线性驱动机构都具有一线性导引件，分别是在第一方向上的一个线性导引件，在第二方向上的一个线性导引件和在第三方向上的一个线性导引件(X、Y和Z方向)。在简单的实施方式中，X方向驱动机构的线性导引件由基座11的两个边缘构建表面形成，Y方向驱动机构的线性导引件由桥的两个或三个表面形成，Z方向驱动机构的线性导引件由Y滑架构件中的立方体孔(cubical hole)形成。
另外，每个线性驱动机构均包括由轴承支撑为沿着导引件运动的可动构件。具体地，X方向驱动机构的可动构件实施为X滑架，该X滑架具有相对于基座11的上述两个或三个导引表面的相互面对的表面。Y方向驱动机构的可动构件实施为Y滑架14，该Y滑架具有相对于桥的上述两个或三个导引表面的相互面对的表面。并且，Z方向驱动机构的可动构件由Z柱13(套筒)形成，该Z柱具有相对于Y滑架中的立方体孔的内表面相互面对的表面。
此外，每个线性驱动机构均包括线性测量仪器，以分别确定在第一、第二或第三方向(X、Y和Z方向)上每个可动构件的相应的第一、第二或第三驱动位置。
在图1的该示例性实施方式中，门型腿均具有可动的X滑架，该X滑架允许第一框架部件12在X方向上的运动。
作为X测量仪器的一部分的测量标尺10X以图示示出在基座11的长侧，其中标尺10X平行于X方向延伸。该标尺可以是玻璃测量标尺，例如具有增量编码或绝对编码，借助这些编码可以确定X滑架在X方向上的驱动位置。应当理解的是，测量仪器还可以包含用于读取测量标尺10X的合适的传感器，但为了简化的原因在这里没有示出这些传感器。然而，应当指出的是，本发明并不限于使用玻璃测量标尺，所以还可以使用其他测量仪器来记录驱动机构的可动构件的驱动／行进位置。
另一个测量标尺10Y平行于Y方向布置在第一框架构件12的桥接部分上。最后，另一个测量标尺10Z也平行于Z方向布置在Z轴柱塞14上。通过作为线性测量仪器的一部分的测量标尺10Y和10Z，可以以其本身已知的计量方式记录第二框架构件14在Y方向上的当前驱动位置以及套筒13在Z方向上的当前驱动位置。
在示出的实施方式中，基座11包括具有坚固面板的工作台，用于支撑待被测量的目标5，在该工作台上旨在确定测量点的空间坐标。
控制和处理单元没有被示出，该控制和处理单元被设计为致动坐标测量机1的马达驱动装置，使得探头15行进到测量点。所述控制和处理单元包括处理器和存储器。具体地，所述控制和处理单元被设计为将目标5上的测量点的三个空间坐标确定为三个驱动机构的至少第一、第二和第三驱动位置的函数。
为了手动操作，控制单元可以被连接到用户控制台。也可以使控制单元完全自动地接近和测量待被测量的目标5的测量点。
因为普通类型的坐标测量机的设计以及不同线性导引件和不同线性测量仪器的设计对本领域技术人员来说是已公知的，因此应当理解的是，可以对不同的特征进行很多的修改和组合。所有这些修改都落入本发明的范围内。
因此，本发明通常可以与所有类型的坐标测量机一起使用，即，与设计为并联运动机器的CMM一起使用，以及与具有线性或串联运动的CMM一起使用。示例性地，CMM可以被设计为桥型、L桥型、水平臂型、悬臂梁型或龙门型机器，或者可以被设计为关节式的臂。另外，与本发明相关的CMM也应当被理解为这样一种系统，该系统用来精确地定位和／或精确地组装工件或工具，和／或用于应用材料，例如，漆料或其他材料的喷射或印刷。这样的系统被设计为在由各自系统的结构所限定的工作体积中提供运动和位置测量，并且限定了这样的坐标系统，在该坐标系统内提供了对系统部件的高精度的定位。具体地，这样的系统提供了工件或工具相对于另一工件的高精度的搬运和放置。例如，可以操作提供精确定位和／或测量能力的机器人，并且基于根据本发明的动态模型的执行对该机器人进行控制。
此外，根据本发明，控制和处理单元包括基于表示CMM1的(至少一部分)的物理参数的模型用于动态地尤其是连续地计算坐标测量机1的偏差的功能。为了这种动态计算，而监测(例如，通过测量物理特性或通过计算参数)CMM1的激励和／或CMM1上的外部冲击，并且可以根据该监测来更新系统的变量。在所限定的时间间隔中执行该监测和参数更新的过程。因此，相应的系统参数和相关的物理特性(即，物理特性的值)的改变被确定并且被附加地存储在数据库中，并且基于该模型和来自数据库中的值而能够进行偏差的计算。通过考虑几个物理参数(它们被设定为由随着时间的模型表示CMM1的至少一部分)的历史，能够进行在CMM1处发生的变形和／或振动的实时动态计算，并且能够补偿由偏差引起的那些误差。能够计算固有频率，并且也能够校正它们带来的影响。
因而，限定根据本发明CMM1的模型、执行其物理参数的监测并且计算其实际状态可以减少因CMM1的动态行为引起的误差。上述的功能对于动态建模机器参数以及对于计算并且尤其是对于偏差的校正或补偿，即，对于动态地改变偏差，提供了改进和精确的基础。
图2示出了根据本发明的第二示例性实施方式的坐标测量机2(CMM)，其中坐标测量机2包括基座21以及部件22、23和24，这些部件用于提供相对于基座21在三个方向(X、Y和Z方向)上探头15的可移动性。基于该原因，通过驱动机构(未示出)，部件22、23和24能够相对于彼此移动，该驱动机构将三个部件22、23和24与基座21连接。
待被测量的目标6被置于基座21上。为了测量该目标6，探头15接近于目标6的表面。根据预先确定的测量路径确定坐标，探头15上的接触式测量传感器在该预先确定的测量路径上被引导，并且基于该测量来确定目标的表面轮廓。
机器2还包括存储单元，目标数据被存储在该存储单元上。在经由测量而推导出用于目标6的表面数据之后，将该数据与存储在存储单元的目标数据进行比较，并且根据对数据的比较来识别表面中的可能的变化。
根据本发明，而定义一模型，该模型提供了关于CMM2(或者该CMM2的至少一部分)的位置和／或偏差的实际状态信息。该模型基于状态变量而被设定，每个状态变量均表示CMM2的一部分的物理特性，并且状态变量被存储在数据存储装置中，具体地，一组状态变量表示一组物理特性。用于CMM2的一部分的实际状态(即，结构部件的位置和／或所述部件的偏差)可以通过基于该模型计算而被推导出。此外，物理特性被监测并且因此这些特性中的至少一个特性的变化被确定。这种监测可以通过以下方式来实现：在CMM2处附接特定的传感器并且追踪由该传感器产生的信号，或者从模型推导出物理特性的变化，所述模型描述多个这样的物理特性的相互作用。
一组新的、更新过的状态变量在预定时间间隔之后基于监测而被限定，其中新的状态变量组可以包括所监测的物理特性的值(这些值与在前的变量组的值相等)，并且可以包括与在前组的值不同的值。例如，框架部件的速度保持恒定，但是在所监测的时间段中弯曲度(其例如可由应变计来测量)逐渐减小。因而，提供至少两组(尤其是多组)状态变量，每组状态变量都表示在限定的时间点处CMM的状态。
通过根据新的组(并且尤其是根据在前的状态变量组或根据在前的更多个状态变量组)计算坐标测量机2的新的实际状态，考虑所监测的变量(即，物理特性)的改变，并且能够从具有这几个变量组的模型推导出实际状态。这意味着，换句话说，为了(通过更新变量组)计算实际系统状态，需要考虑状态变量的历史发展。
根据该方法，CMM2的物理参数的临时变化以及表示CMM2的模型的变量可以被追踪，并且基于该变化以及基于该变化的计算，使得能够对建模的CMM部分的行为进行实时的动态描述。因而，例如CMM2的至少一部分的弯曲、移位、扭转和／或振动可以基于该模型被推导出。此外，可以从该模型确定相应的误差，并且可以通过将推导出的误差值计入到实际测量的位置值来校正所述误差。
图3显示了示出根据本发明的优选实施方式的模型和计算的一般原理的框图。
在第一步骤31中，限定表示坐标测量机的至少一部分的模型。该模型包括表示CMM的该部分的特定物理参数的几个系统变量。根据第一步骤31，对这些变量设定有预定值，用来建模CMM的至少一部分(尤其是整个CMM)的初始模型状态，并且将该初始模型状态以及将相关变量值限定为起始点。根据该初始模型状态，可计算相应的机器状态(34)，以表示CMM的该部分的初始实时状态。具体地，假设机器部件位于限定位置并且相对彼此不移动，则这种初始状态可以非常精确和精准的方式被确定和计算。
根据本发明，所限定的系统变量被监测(32)。为了提供监测，系统变量或物理参数中的一些或全部分别在CMM上经由传感器直接被测量，该传感器专门用于测量对应于相应的变量的物理值的变化。例如，加速度传感器确定机器的一部分上的速度和／或加速度的变化，或温度传感器提供实际的机器温度。附加地或另选地，用于系统变量的一些或全部值根据基于另外的模型或基于根据本发明的模型的另外的计算或预测而被(连续地)推导出。
将监测／测量程序所提供的值馈送到模型中，即，确定一组新的更新变量(33)，并且可以将这组新的更新变量提供到数据库中。该数据库可以位于CMM中或者可远离CMM定位，例如，位于用于提供数据的外部服务器单元处。在那种情况下，所述数据可以被传递到云计算单元和／或可以在该计算单元处进行处理。具体地，将时间信息指配给这组变量和／或指配到每个值，以表示连续变量值之间的时间差。通过对更新组的变量的这种限定并且尤其通过考虑变量组的时间表，提供了一种用于计算CMM的至少一部分的实际状态的新基础。换句话说，基于对CMM的物理特性的监测而推导出更新组的变量，并且模型的系统变量被更新的变量所替换。根据本发明的特定的实施方式，将更新组的变量作为第二附加组的变量增加到数据库，并且对这些组中的全部组或仅一个组进行处理以推导出CMM的状态。
该至少一组变量被输入(35)至通用模型31，以更新模型从而提供开始计算的新基础。
因此，在另外的步骤中，参照最终推导出的一组变量，尤其是参照之前限定的至少一组或多组变量和／或通过测量或计算推导出的物理参数，对CMM的至少一部分或全部的CMM的新(实际)状态(=连续的状态)进行计算34。根据对一组或几组变量的这种计算(这些变量由在不同的时间点处对所限定的系统变量的监测推导出(即，通过计算确定和考虑至少一个变量的偏差或变化和／或相应的物理特性)，可推导出CMM的新的实际状态(或分别地CMM的一部分)，其中关于CMM的至少一部分在时间上的发生和传播的动态影响通过计算的状态来表示。分别地，CMM的该部分的这种计算状态例如表示所述部分的实际偏差(例如，由振动引起的)。
对物理属性的变化的追踪允许对机器部件中的例如振动的产生和传播进行动态的计算，并且基于此，确定测量误差以及对该误差的补偿。
图4a至4d示例性地示出了一个随时间变化的系统变量(X方向上的加速度)的变化以及相对于实际和基于模型计算由该变化引起的位移的变化。
图4a示出的图表显示了随着时间t的变化在X方向上CMM的结构部件的第一点(例如，在第一框架部件上安装的读取头，用于测量在测量标尺上的X位置)的(感应的)加速度ax。对于第一时间段P1，所述点没有被加速(加速度ax=0)，并且例如以恒定速度在X方向上移动。在该时间段P1之后，所述点被正向地加速直到达到预定的加速度值a1，并在第二时间段P2中保持该加速度值。之后，对该点减速(减慢速度)直到又达到加速度值0，其中不对所述点加速的该状态维持了第三时间段P3。
图4b描述了根据图4a的关于致动的CMM的第二指定点在X方向上的真实位移和／或变形行为Δx(例如，探头相对于第一框架部件的x方向的位移／变形)。随时间变化的真实位移和／或变形Δx由线41示出。线41表示第二指定点的位移行为，该位移行为如图所示基本上当该第二指定点在第一点的加速度改变时实际上所产生的位移行为。在该情况下，应当注意到，典型地，引起加速度所在的点(第一点)的位置与实际位移(例如，由加速度引起的)被确定所在的点(第二指定点)的位置不同。可以从线41中看出，当加速度的值改变时，X方向上的位移并不相应地改变，而是因随着在X方向上的位置而发生的振动产生的加速度的线性增加不同。此外，根据加速度可以产生另外的非线性的峰值，如由41a示出的。
CMM的结构部件的这种非线性和动态的行为例如由机器部件的固有频率的激励而产生，当第一框架部件通过利用线性驱动机构而相对于第二框架部件移动时，机器部件的激励振动将在CMM的几个构件的整个范围内传播(例如，如驱动装置的振动被传递到机器其它部分)。因此，在特定机器部分内的振动也可以被放大和／或可以叠加和／或可以影响机器的其它部分，这可以导致单个机器部件或一组机器部件的相当复杂的振动行为。
图4c示出了根据从现有技术已知的模型计算出的第二指定点在X方向上的位移Δx，其中该计算是基于根据图4a的CMM的激励(加速度的变化)来进行的。如通过比较虚线42(其表示根据已知模型随着时间的变化而推导出的位移Δx)与X位置(参见图4b，指定点的)变化的真实发展可以看出的，位移Δx的计算并不描述结构(指定点)的真实振动行为，而是以相当粗略的方式接近X位移。该变形作为平衡位置被计算，并且不包括由于动态变形而导致的影响。这种计算和对应的模型例如在上述的参考文献EP1687589中有所描述。
图4d示出了根据本发明的第二指定点的X位移Δx的计算。如上所述将动态模型应用于CMM的相应部分(或应用于整个CMM)，以计算偏差，即，指定点的位移Δx。采用内部系统变量和它们的偏差，以精确地计算激励(这里：加速度的变化)的偏差和时间历史，并且使用状态变量来计算变形。线43示出了随着时间的变化对于位移的计算结果。
通过这种动态建模和从该模型计算，可以获得关于位移Δx的更精确的结果，该结果基本上以真实的方式表示了结构(即，指定点)的行为。根据图4b的真实位移Δx还可能会产生一些失控的值41a，这些值不由根据本发明的计算来表示，而是由于这些值对于整个位移计算的影响很小，因此它们可以忽略不计。
像这样被计算的偏差值可以被用于校正测量探针的位置值(例如，待被测量的目标上的测量点的被测位置)，并因此用于减少由于CMM的动态行为而引起的误差。根据静态和动态影响(包括固有频率)可以对该误差进行校正，其中对一些(但特别地不是所有的)系统变量和／或物理参数(例如，加速度)进行测量。
因此，根据本发明的动态监测和计算使得能精确地推导出CMM的实际振动状态，并且提供以补偿由机器振动引起的误差。
尽管部分地通过参照一些特定的实施方式在以上示出了本发明，但应当理解的是，可以对所述实施方式的不同特征做出一些修改和组合，并且该不同的特征可以与现有技术已知的建模和计算原则和／或坐标测量机相结合。

Claims (24)

1.一种用于为坐标测量机(1，2)的至少一部分提供动态状态信息的方法，该坐标测量机(1，2)包括：
·基座(11，21)；
·探头(15)；
·机器结构，该机器结构具有用于将所述探头(15)连接至所述基座(11，21)的结构部件(12-14，22-24)；以及
·至少一个驱动机构，该驱动机构用于通过以下方面为所述探头(15)提供相对于所述基座(11，21)的可移动性，这些方面包括：
·利用第一组状态变量限定动态模型(31)，所述第一组状态变量与所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的一组物理特性相关，并且代表所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态；
·将所述第一组状态变量提供到数据库中；并且
·通过基于所述动态模型计算而推导出所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态(34)，
其特征在于，
·对所述第一组状态变量中的至少一个状态变量进行监测(32)，并且基于该监测确定至少一个状态变量的变化，
·利用关于所述至少一个状态变量的所确定的变化更新的状态变量来设定第二组状态变量(33)，并且
·将所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型(31)，或者将所述第一组状态变量和所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来更新所述动态模型(31)，其中至少基于所述第一组状态变量和所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
·基于所述动态模型推导出所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际偏差；和/或
·基于所述动态模型推导出所述坐标测量机(1，2)的指定点的实际位置；和/或
·基于所述动态模型来补偿测量误差。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
通过以下方式来执行所述第一组状态变量的监测(32)：
·测量至少一个物理特性，并且由此推导出至少一个对应的实际状态变量，和/或
·通过基于计算的模型来推导出用于至少一个状态变量的实际值，和/或
·使用所指定的调整值来设定至少一个状态变量。
4.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述第一组状态变量限定了所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的下列值中的至少一个值或下列值的组合和/或相应值的变化：
·加速度；
·速度；
·位置；
·弯曲；
·变形；
·位移；
·取向；
·温度；
·湿度；
·扭矩；
·力。
5.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
至少一个状态变量的变化是由所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的下列物理特性中的至少一个物理特性和/或相应的物理特性的变化而推导出的：
·加速度；
·速度；
·位置；
·变形；
·扭矩；
·力。
6.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
至少一个状态变量是通过利用传感器测量所述坐标测量机(1，2)上的激励和/或冲击而推导出的，和/或通过从路径轨迹计算而推导出的。
7.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
基于所述动态模型计算建立时间并且产生建立信号，以补偿利用所述坐标测量机所执行的测量，其中，所述建立时间表示用于保持限定的测量位置的持续时间，以实现预定的测量精度。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
对所述建立信号进行处理，以
·控制所述探头(15)相对于测量点的限定位置的重新定位和/或保持，或者
·产生输出信号，以向操作者提供信息从而以预定的测量精度进行手动测量。
9.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
对所述物理特性进行监测(32)，并且将所监测的物理特性提供到所述数据库中，并且至少基于所述数据库中的所述第二组状态变量以及所监测的物理特性，来计算所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态(34)，和/或
利用所述第一组状态变量的变化来监测时间的变化，并且将时间信息指配给所述数据库中的每一组状态变量。
10.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
·对所述第一组状态变量利用限定的监测间隔进行监测(32)，和/或
·根据所监测的状态变量而连续变化的第三组或更多组状态变量基于该连续变化被设定，并且将所述第三组或更多组状态变量增加到所述数据库中，并且所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态至少基于所述数据库中的所述第一组状态变量、所述第二组状态变量和所述第三组或更多组状态变量来计算。
11.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
至少基于所述第二组状态变量来计算所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态。
12.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
通过以下方式来执行对至少一个状态变量的变化的确定：
·测量至少一个物理特性，并且由此推导出至少一个对应的实际状态变量，和/或
·通过基于计算的模型来推导出用于至少一个状态变量的实际值，和/或
·使用所指定的调整值来设定至少一个状态变量。
13.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
通过基于估计的模型来推导出用于至少一个状态变量的实际值。
14.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
至少一个状态变量的变化是由至少一个物理特性的变化而引起的。
15.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
至少一个状态变量的变化是由从所述机器结构的至少一部分和/或所述探头(15)的变形生成的力而引起的，或者由影响所述坐标测量机(1，2)的外力而引起的。
16.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
至少一个状态变量的变化是通过测量至少一个物理特性而推导出的：
·加速度；
·速度；
·位置；
·变形；
·扭矩；
·力。
17.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
至少一个状态变量是从确定相应的物理特性而推导出的。
18.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述输出信号是声音信号和/或光信号。
19.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
对所述物理特性进行监测(32)是对所述物理特性进行测量。
20.一种坐标测量机(1，2)，该坐标测量机包括：
·基座(11，21)；
·探头(15)；
·机器结构，该机器结构具有用于将所述探头连接到所述基座的结构部件(12-14，22-24)；
·至少一个驱动机构，该驱动机构用于提供所述探头(15)相对于所述基座(11，21)的可移动性；以及
·适于执行建模功能的控制和处理单元，在执行建模功能时，
□利用第一组状态变量限定动态模型(31)，所述第一组状态变量与所述坐标测量机(1，2)的至少一部分的一组物理特性相关，并且表示所述坐标测量机(1，2)的至少一部分的实际状态，
□将所述第一组状态变量提供到数据库中，并且
□借助基于所述动态模型计算而推导出所述坐标测量机(1，2)的至少所述部分的实际状态(34)，
其特征在于，
在执行建模功能时，
·对所述第一组状态变量中的至少一个状态变量进行监测(32)，并且基于该监测确定至少一个状态变量的变化，
·利用关于所述至少一个状态变量的所确定的变化更新的状态变量来设定第二组状态变量(33)，并且
·将所述第二组状态变量用作所述第一组状态变量来对所述动态模型进行更新(31)。
21.根据权利要求20所述的坐标测量机(1，2)，
其特征在于，
所述坐标测量机(1，2)的所述控制和处理单元适用于执行根据权利要求2至19中任一项所述的方法。
22.根据权利要求20或21所述的坐标测量机(1，2)，
其特征在于，
所述坐标测量机(1，2)包括传感器，该传感器用于监测所述物理特性。
23.根据权利要求22所述的坐标测量机(1，2)，
其特征在于，
所述传感器用于测量在所述坐标测量机(1，2)处的激励和/或冲击。
24.根据权利要求22所述的坐标测量机(1，2)，
其特征在于，
该传感器是加速度传感器和/或偏差传感器和/或振动拾取器。
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