CN104567773A

CN104567773A - 臂型三维测量机和支撑该测量机的基部的倾斜校正方法

Info

Publication number: CN104567773A
Application number: CN201410592145.5A
Authority: CN
Inventors: 后藤智德
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: DE102014221849A1; JP2015087186A; US20150113820A1; JP6285146B2; US9631915B2; CN104567773B

Abstract

本发明涉及臂型三维测量机和支撑该测量机的基部的倾斜校正方法。该臂型三维测量机，包括：多关节臂机构，其前端包括探测器；处理部，用于计算所述探测器的位置；以及倾斜计，用于在用以支撑所述多关节臂机构的基部中，检测所述基部相对于垂直方向的倾斜量，其中，所述处理部计算使用所述基部作为基准的所述探测器的位置，并且基于来自所述倾斜计的输出，来以时间序列方式校正使用所述基部作为基准的所述探测器的位置。

Description

臂型三维测量机和支撑该测量机的基部的倾斜校正方法

技术领域

本发明涉及臂型三维测量机和用于支撑该臂型三维测量机的基部的倾斜校正方法，尤其涉及如下臂型三维测量机和用于支撑该臂型三维测量机的基部的倾斜校正方法，其中该臂型三维测量机即使在工件的测量期间多关节臂机构的姿势改变而使得用于支撑该多关节臂机构的基部倾斜的情况下，也能够在无需停止测量的状态下以高精度对工件进行测量。

背景技术

传统上使用如WO2011/090900A1所示的手动操作的臂型三维测量机。该臂型三维测量机具有前端包括探测器的多关节臂机构以及用于计算该探测器的位置的处理部。此外，该臂型三维测量机包括倾斜计。

结果，这种臂型三维测量机可以通过基于倾斜计的输出检测该臂型三维测量机的倾斜状态，来评价例如安装场所不稳定的情况或者该臂型三维测量机未正确安装的情况。

由于容易操纵臂型三维测量机，因此经常简单地安装该测量机。即，臂型三维测量机未必安装成稳定状态，并且在这种情况下，多关节臂机构的姿势的变化使测量时该多关节臂机构的重心位置频繁地改变，并且用于支撑该多关节臂机构的基部可能频繁地倾斜。在这种情况下，基部的倾斜可能导致探测器的位置出现误差。

另一方面，WO2011/090900A1的臂型三维测量机被配置为在通过检测臂型三维测量机的倾斜状态判断为该测量机倾斜且不稳定的情况下，停止测量。即，在倾斜且不稳定的情况下，WO2011/090900A1的臂型三维测量机本身无法继续测量，更不用说以高精度进行测量。

发明内容

本发明的目的是提供如下的臂型三维测量机和用于支撑该臂型三维测量机的基部的倾斜校正方法，其中该臂型三维测量机即使在工件的测量期间多关节臂机构的姿势改变而使得用于支撑该多关节臂机构的基部倾斜的情况下，也能够在无需停止测量的状态下以高精度对工件进行测量。

根据本发明，提供一种臂型三维测量机，包括：多关节臂机构，其前端包括探测器；处理部，用于计算所述探测器的位置；以及倾斜计，用于在用以支撑所述多关节臂机构的基部中，检测所述基部相对于垂直方向的倾斜量，其中，所述处理部计算使用所述基部作为基准的所述探测器的位置，并且基于来自所述倾斜计的输出，以时间序列的方式来校正使用所述基部作为基准的所述探测器的位置。

在本发明中，可以通过使用所述垂直方向作为基准的重力坐标系和使用所述基部作为基准的基部坐标系之间的、根据所述倾斜量所获得的坐标变换矩阵，来进行使用所述基部作为基准的所述探测器的位置的时间序列校正。

在本发明中，所述基部可以由三脚台支撑。

根据本发明，提供一种用于支撑臂型三维测量机的基部的倾斜校正方法，所述臂型三维测量机具有：多关节臂机构，其前端包括探测器；以及处理部，用于计算所述探测器的位置，所述倾斜校正方法包括以下步骤：计算使用所述基部作为基准的所述探测器的位置；以及基于所述基部相对于垂直方向的倾斜量，以时间序列的方式来校正使用所述基部作为基准的所述探测器的位置。

根据本发明，即使在工件的测量期间多关节臂机构的姿势改变而使得用于支撑该多关节臂机构的基部倾斜的情况下，也能够在无需停止测量的状态下以高精度对工件进行测量。

附图说明

通过以下给出的详细说明以及附图将更加充分地理解本发明，其中附图仅是为了例示而给出的，因而并不限制本发明，并且其中：

图1是示出根据本发明实施例的臂型三维测量机的一个示例的示意图；

图2是示出图1的结构块的一个示例的示意图；

图3是示出用于支撑臂型三维测量机的基部发生倾斜的状态的一个示例的示意图；以及

图4是示出处理部所进行的处理过程的一个示例的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细说明本发明实施例的一个示例。

将使用图1～4来说明根据本发明的实施例。

首先，说明根据本实施例的臂型三维测量机100的结构。

如图1所示，臂型三维测量机100具有多关节臂机构104和处理部122。另外，该臂型三维测量机100可以连接有(在本实施例中均未示出的)处理装置、显示装置或输入装置。此外，在利用臂型三维测量机100测量工件W(未示出)的三维形状的情况下，作业人员直接抓握并操作探测器头106(图1)。即，作业人员可以使探测器102从任意方向接近工件W，并且使探测器102以任意角度与工件W相接触。

如图1所示，多关节臂机构104的前端具有探测器102。多关节臂机构104包括：探测器头106，用于保持探测器102；第一关节108，用于保持探测器头106；第一臂110，用于支撑第一关节108；第二关节112，用于支撑第一臂110；第二臂114，用于支撑第二关节112；第三关节116，用于支撑第二臂114；以及支柱118，用于支撑第三关节116。并且，第一关节108、第二关节112和第三关节116分别是以在相互正交的轴方向上可转动的方式形成的。换句话说，第一关节108内置有编码器108A、108B，第二关节112内置有编码器112A、112B，并且第三关节116内置有编码器116A、116B。各个编码器108A、108B、112A、112B、116A、116B具有能够检测转动角度的旋转型(图1所示的实线的两个箭头示出各自的转动方向)。换句话说，将本实施例的多关节臂机构104的轴(转动轴)设置为6个轴(多关节臂机构104的轴不限于6个轴，并且可以是7个轴等)。支柱118以与直接配置在放置有工件W(未示出)的作业台上的基部120垂直的方式竖立(图1的虚线示出三脚台130，并且多关节臂机构104经由该三脚台130配置在作业台等上)。换句话说，基部120支撑多关节臂机构104。探测器102是前端(探测器前端)102A具有球状的接触型球探测器。

如图1所示，处理部122连同倾斜计124一起包括在基部120中(处理部122不限于此，并且可以形成在臂型三维测量机100的外部)。如图2所示，处理部122具有计算部122A和存储部122B。换句话说，处理部122可以将计算部122A所计算出的结果存储在存储部122B中、或者可以读出存储部122B中所存储的数据并利用计算部122A计算该数据。处理部122连接至编码器108A、108B、112A、112B、116A、116B和倾斜计124。这里，预先明确探测器102、多关节臂机构104和基部120的位置关系和长度。并且，由于明确探测器102的探测器前端102A的球形形状，因此可以通过相对于球的中心坐标值对该球的半径进行偏移处理，来正确地测量该球和工件W之间的接触位置。换句话说，处理部122基于第一关节～第三关节108、112、116所内置的编码器108A、108B、112A、112B、116A、116B的输出来正确地计算(使用基部120作为基准的)探测器102(的探测器前端102A)的位置。此时，由于臂型三维测量机100具有6个轴的多关节臂机构104，因此使用各转动轴中的坐标变换矩阵M_k ^k+1(k＝基部(base),1～6,端部(end))，通过公式(1)来表示示出探测器前端102A的位置的矩阵M。

数学式1

M = M_{base}^{1} \cdot M_{1}^{2} \cdot M_{2}^{3} \cdot M_{3}^{4} \cdot M_{4}^{5} \cdot M_{5}^{6} \cdot M_{6}^{end} - - - (1)

另外，分别为如下：符号M_base ¹表示用作基面上所确定的坐标系的基准的基部120和用作第一个转动轴的编码器116B的转动轴之间的坐标变换矩阵，并且符号M₆ ^end表示探测器前端102A和用作多关节臂机构104的第六个轴的编码器108A的转动轴之间的坐标变换矩阵。

另外，由于如图3所示在使用垂直方向(Z方向)作为基准的XYZ坐标系(重力坐标系)与使用基部120作为基准的X'Y'Z'坐标系(基部坐标系＝基面上所确定的坐标系)一致的情况下、倾斜计124处于基部120没有倾斜的状态(实线所示的臂型三维测定机100的状态)，因此倾斜计124例如不输出信号。由于在XYZ坐标系与X'Y'Z'坐标系不一致的情况下、倾斜计124处于基部120倾斜的状态(虚线所示的臂型三维测定机100的状态)，因此倾斜计124例如输出与倾斜量相对应的信号。即，倾斜计124被配置为检测基部120相对于垂直方向的倾斜量(2个轴方向)。结果，即使在用作基面上所确定的坐标系的基准的基部120变倾斜的情况下，处理部122也可以通过正确地计算使用基部120作为基准的探测器前端102A的位置、并且基于来自倾斜计124的输出以时间序列方式校正其结果，来正确地获得探测器前端102A的位置(另外，在时间序列校正中，可以顺次校正所计算出的探测器前端102A的位置，或者可以在顺次存储来自倾斜计124的输出以计算探测器前端102A的所有位置之后、整体校正探测器前端102A的位置)。这里，在利用符号M_gravity ^base来表示示出基部120的倾斜的坐标变换矩阵的情况下，使用各转动轴中的坐标变换矩阵M_k ^k+1(K＝base,1～6,end)，通过公式(2)来表示示出校正后的探测器前端102A的位置的矩阵M_true。

数学式2

Mture = M_{gravity}^{base} \cdot M_{base}^{1} \cdot M_{1}^{2} \cdot M_{2}^{3} \cdot M_{3}^{4} \cdot M_{4}^{5} \cdot M_{5}^{6} \cdot M_{6}^{end}

Mture = M_{gravity}^{base} \cdot M - - - (2)

处理部122在每次探测器102的位置改变时，以时间序列方式计算探测器102的位置。或者，按特定周期以时间序列方式计算探测器102的位置。

接着，以下将使用图4来说明本实施例的臂型三维测量机100中的处理部122所进行的处理过程的一个示例。

首先，在探测器前端102A处测量工件W中的预定位置的坐标，并且计算使用基部120作为基准的探测器102的位置(步骤S2)。即，计算部122A基于各个编码器108A、108B、112A、112B、116A、116B的输出，使用公式(1)来计算探测器102的位置，并且将其结果临时存储在存储部122B中。

接着，判断基部120的倾斜的有无(步骤S4)。具体地，计算部122A判断倾斜计124的输出的有无。可以在产生各个编码器108A、108B、112A、112B、116A、116B的输出的同时，产生该倾斜计124的输出。在不存在倾斜计124的输出的情况下(步骤S4中为“否”)，从处理部122原样输出所获得的使用基部120作为基准的探测器102的位置(步骤S10)。

在存在倾斜计124的输出的情况下(步骤S4中为“是”)，计算部122A基于倾斜计124的输出来计算基部120的倾斜量(步骤S6)。然后，获得符号M_gravity ^base。然后，进行探测器102的位置的校正计算(步骤S8)。具体地，可以从存储部122B读出使用基部120作为基准的探测器102的位置，并且使用符号M_gravity ^base的值来获得通过公式(2)表示的探测器102的位置。也就是说，处理部122基于来自倾斜计124的输出来以时间序列方式校正使用基部120作为基准的探测器102的位置。然后，从处理部122输出其探测器102的位置(步骤S10)。

因此，本实施例在用于支撑多关节臂机构104的基部120中包括用于检测该基部120相对于垂直方向的倾斜量的倾斜计124。然后，处理部122基于来自倾斜计124的输出来对使用垂直方向作为基准的重力坐标系中的探测器102的位置进行时间序列校正。即，即使在测量期间基部120倾斜的情况下，也与基部120的倾斜状态无关地继续探测器102的位置的计算。

接着，在基部120倾斜的情况下，基于来自倾斜计124的输出来针对使用垂直方向作为基准的重力坐标系进行探测器102的位置的校正计算，结果可以正确且迅速地校正探测器102的位置。具体地，首先在X'Y'Z'坐标系中计算使用基部120作为基准的探测器102的位置。接着，根据作为倾斜计124的输出的倾斜量来获得XYZ坐标系和X'Y'Z'坐标系之间的坐标变换矩阵M_gravity ^base，并且利用其坐标变换矩阵M_gravity ^base来进行使用基部120作为基准的探测器102的位置的时间序列校正，以计算使用垂直方向作为基准的XYZ坐标系中的探测器102的位置。因此，可以利用因多关节臂机构104的姿势而能够改变的基部120的倾斜量来实时地校正使用基部120作为基准的探测器102的位置，并且可以进行高精度的测量。

此外，以上所述的实施例仅关注基部120的倾斜，但臂型三维测量机100还可能伴随有由于来自作业人员的外力或多关节臂机构104的姿势的影响所引起的基部120的倾斜以及位移(平行移动)。然而，由于因倾斜所引起的变化通常对测量精度具有较大影响、并且在根据需要使基部120固定的情况下位移小，因此本实施例不考虑位移的影响。当然，除倾斜计124以外，基部120还可以设置有位移计，从而将位移连同倾斜一起进行检测。在这种情况下，可以更高的精度校正探测器102的位置。

即，即使在工件W的测量期间多关节臂机构104的姿势改变而使得用于支撑多关节臂机构104的基部120倾斜的情况下，本实施例也可以在无需停止测量的状态下以高精度对工件W进行测量。

通过给出上述实施例已经说明了本发明，但本发明不限于上述实施例。即，无需说明，可以在没有背离本发明的主旨的情况下进行改进和设计变化。

例如，在上述实施例中，探测器102是如图1所示的球探测器，但本发明不限于该球探测器。例如，探测器102可以是诸如触摸信号探测器等的接触型探测器。或者，探测器102可以是例如使用线激光等的非接触型探测器。

此外，上述实施例假定基部120直接配置在作业台等上，但图1的基部120可以由如图1的虚线所示的三脚台130支撑。在这种情况下，可以通过在作业台中仅形成仅相当于三条腿的前端部分的区域，在不受三条腿之间的空间状态影响的情况下配置臂型三维测量机100。

此外，上述实施例利用倾斜计124的输出的有无来判断基部120的倾斜的有无，但本发明并不限于此，并且可以利用例如倾斜计124的输出状态的变化来判断基部120的倾斜的有无。

本发明可以广泛地应用于具有前端包括探测器的多关节臂机构和用于计算该探测器的位置的处理部的臂型三维测量机。

Claims

1.一种臂型三维测量机，包括：

多关节臂机构，其前端包括探测器；

处理部，用于计算所述探测器的位置；以及

倾斜计，用于在用以支撑所述多关节臂机构的基部中，检测所述基部相对于垂直方向的倾斜量，

其中，所述处理部计算使用所述基部作为基准的所述探测器的位置，并且基于来自所述倾斜计的输出，以时间序列的方式来校正使用所述基部作为基准的所述探测器的位置。

2.根据权利要求1所述的臂型三维测量机，其中，

通过使用所述垂直方向作为基准的重力坐标系和使用所述基部作为基准的基部坐标系之间的、根据所述倾斜量所获得的坐标变换矩阵，来进行使用所述基部作为基准的所述探测器的位置的时间序列校正。

3.根据权利要求1或2所述的臂型三维测量机，其中，

所述基部由三脚台支撑。

4.一种用于支撑臂型三维测量机的基部的倾斜校正方法，所述臂型三维测量机具有：多关节臂机构，其前端包括探测器；以及处理部，用于计算所述探测器的位置，所述倾斜校正方法包括以下步骤：

计算使用所述基部作为基准的所述探测器的位置；以及

基于所述基部相对于垂直方向的倾斜量，以时间序列的方式来校正使用所述基部作为基准的所述探测器的位置。