CN107532894B - 控制测量装置和提供主动阻尼的方法、坐标测量机及存储介质 - Google Patents

Abstract

控制测量装置和提供主动阻尼的方法、坐标测量机及存储介质。一种用于避免激发测量机(1、2)的振荡和/或用于通过主动地控制测量机(1、2)的驱动单元或者主动地控制另外附接的致动器的致动来减少或阻尼这种振荡的方法。所述方法使用关于所述测量装置(1、2)的实际状态的信息，所述实际状态基于动态模型和/或通过使用合适的传感器单元来导出。使用状态控制器、致动器或频率滤波元件来抵消或防止振荡。

Description

控制测量装置和提供主动阻尼的方法、坐标测量机及存储 介质

技术领域

本发明总体上涉及用于动态补偿因测量装置的移动(具体是坐标测量机的移动)而发生的动力学效应的方法，并且涉及适于证明这种方法的相应装置。

背景技术

通常的做法是，在诸如坐标测量机(CMM)的坐标定位装置上检查生产之后的工件，以便检查预定物体参数(像物体的尺寸和形状)的正确性。

在常规3D坐标测量机中，支承探头，以沿三个相互垂直的轴(沿方向X、Y、Z)移动。由此，可以将探头引导至坐标测量机的测量体积空间中的任何任意点，并且物体可利用由探头所携带的测量传感器(探针)测量。

在机器的简单形式中，与每一个轴平行安装的合适换能器能够确定探头相对于该机器的基部的位置，并且因此，确定该物体上的被该传感器接近的一测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型坐标测量机可以包括设置探头的框架结构以及用于相对于彼此移动框架结构的框架部件的驱动装置。

为了测量表面变化，已知基于触觉传感器和光学传感器的使用的两种测量原理。

通常，为提供具有改进测量精度的坐标测量机，其框架结构因此通常被设计成具有高静态刚度(static stiffness)。为了实现坚固且坚硬的机器设计，其框架结构或至少部分通常由诸如花岗岩的石头制成。除了像热稳定性和良好阻尼特性的所有正面效果以外，花岗岩还使得机器和可移动框架元件十分沉重。另一方面，高重量对于适当的加速度还需要较大的力。

如果采用这种技术，仍然有几个可能的误差来源。当相对于另一部件移动一个框架部件时的机器部分的共振或振动仅是动态误差两个示例。此外，要考虑从来自机器外部的振动出现的误差。另外，可能会发生像线性驱动机构中缺少运动平直度和缺少轴的正交性或者横向偏移的静态误差。

根据许多方法，所提到的误差仅被静态地分析，尽管它们还包括取决于轴的移动的动态因素，特别是取决于移动轴时的位置、速度、加速度以及加加速度(jerk)。利用速度相关校准，该事实以一种相当简单且顽固的方式被考虑在内。虽然可以通过使用位置校准矩阵在数学上减少静态误差，但当尝试补偿动态误差时，事情会变得更加复杂。

在这种情况下，例如，必须考虑到机器的一个轴的加速度(其可以移动另一些垂直轴和探头)，可以引起坐标测量机的整个框架的线性和角动态偏转，这又导致测量不确定性和误差。这些动态测量误差可以通过在低加速度下进行测量来减小，例如通过因此优化的期望的运动的轨迹。

已知的方法是通过称作输入整形的技术来尝试抑制由机器的加速引起的偏转、振动和/或振荡，该技术控制调节变量(例如，推进电机的力或电流)，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刺激。

另外，作为使用装置的当前状态作为初始状态通过在每个采样时刻解决有限的水平开环最优控制问题来获取当前控制动作的控制的一种形式，模型预测控制可以被应用于CMM。该优化产生最佳控制序列，并且然后将序列中的第一控制应用至装置。

对于误差处理的示例来说，EP 1559990公开了一种校正在坐标测量机中测量的坐标、在将具有不同重量的零件安装在该坐标测量机上时的测量几何误差的坐标测量系统和方法。补偿参数根据每一零件的重量的测量结果导出并被存储。与待测零件的重量对应的补偿参数被恰当地读出，以校正该待测零件的测量坐标。

作为另一示例，EP 1687589公开了一种在具有包括表面检测装置的铰接探头(articulating probe head)的坐标测量机中的误差补偿的方法。该表面检测装置在测量期间绕铰接探头的至少一个轴旋转。该方法包括以下步骤：确定该装置的整体或部分的刚性，确定与在任何特定时刻由铰接探头施加的载荷有关的一个或更多个因素，以及确定由该载荷在表面感测装置处造成的测量误差。

GB 2 425 840中公开了利用坐标测量机(CMM)进行工件测量误差校正的另一种方法。由此，利用工件感测探针进行位置测量，其中，提供了测量加速度的装置。该测量对于高频(不可重复)误差(诸如，由于振动引起的误差)以及低频(可重复)误差(诸如，由于探针上的离心力引起的误差)两者都加以校正。该校正方法包括以下步骤：测量工件；从预定误差函数、误差图或误差查找表确定可重复测量误差；测量加速度并计算不可重复的测量误差；将第一测量误差和第二测量误差组合以确定总误差；以及使用所述总误差校正工件测量。预定误差图使用已知尺寸的人工制品计算。

为了处理上述误差，特别是动态误差，通常要定义CMM的合适模型，其中，使得特别是CMM的框架结构的定位行为能够基于该模型来描述。示例性地，可以定义查找表，以便查寻与CMM的框架部件的实际定位相关的校正值。CMM的这种建模随着CMM部分的重量(和刚度)减少而变得更加重要。

重量的减小是与坐标测量机的设计相关的重要主题，就好像机器部件被构建为重量较轻(并且刚度更低)，可以通过产生影响坐标测量机的较小的力来实现各部件的较快定位。另一方面，随着这些部分的重量减轻，由机器部件的降低刚度和(较快)运动引起的机械振动和扭转的影响可能会增大。因此，所导出的测量值的不确定性和由这种变形和振动而出现的误差因此可能会增大。

EP 2 762 830已知一种用于动态模型的方法，该方法提供了因较低硬度机器构造而引起的振荡误差的精确描述。

然而，通过使用这种建模方法，仍然存在由机器部分的移动或外部影响而出现的误差。再次考虑到建造不太重的测量机，并且从而为测量指定工件提供较高的移动速度，机器的振荡仍然显著影响测量的坐标或位置。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供用于避免激发测量装置的至少部分的振动或振荡的改进的方法和机器。

本发明的另一目的是，提供用于减少发生振荡效应的方法。

本发明又一目的是，提供一种用于确定机器振动和/或变形的改进方法，并且具体用于补偿由这种振动和/或变形而造成的位置误差。

本发明涉及一种用于控制测量装置的至少两个结构部件的相对移动的方法，其中，所述测量装置包括用于至少提供所述两个结构部件相对于彼此的移动性的驱动单元。所述方法包括以下步骤：借助于具有一组模型状态变量的动态模型提供所述两个结构部件中的至少一个结构部件的动态状态信息，所述模型状态变量与所述两个结构部件中的至少一个结构部件的一组物理特性有关，以及提供所述两个结构部件中的至少一个结构部件的实际状态的确定。所述动态模型可以基于卡尔曼滤波器(Kalman filter)，和/或利用相应观察器实现。所述模型状态变量由此可以通过使用这种滤波器或观察器导出。

此外，提供用于控制所述驱动单元的基于模型的状态控制器，所述基于模型的状态控制器包括取决于所述实际状态的一组至少一个控制状态变量。特别是，所述控制状态变量由所述测量装置的或者其结构部件的所述实际状态来表示。通过至少基于所述动态模型的计算，导出所述一组至少一个控制状态变量中的至少一个控制状态变量(或者相应地，实际状态)。

基于所导出的至少一个控制状态变量，通过使用所述状态控制器生成控制参数，所述控制参数适于提供驱动所述驱动单元，使得按限定方式影响所导出的至少一个控制状态变量和/或实际状态。

由此，根据该方法通过使用状态空间控制器与动态模型(提供机器状态的精确描述)一起改进像CMM的测量装置的结构部件的相对移动，以控制驱动单元的致动。

根据本发明的实施方式，将所述控制参数应用至所述驱动单元，使得所述结构部件相对于彼此按限定方式移动。

根据本发明的上述方法提供对所述系统的固有频率(谐振)的直接管理，例如相对于频率的阻尼。另外，来自环境的干扰可以例如利用力的相移施加来拒绝。

所估计或监视状态可以被用于估计针对位置和/或速度控制回路的位置和/或速度。此外，所述状态可以被用作状态空间控制器的状态变量，或者可以被用于通过总体控制规则主动地阻尼固有频率，或者根据偏转值来校正CMM姿态。

实际状态可以基于具有观察器或卡尔曼滤波器的模型来测量或估计。

根据本发明的特定实施方式，使用两个状态估计器，一个用于控制回路(例如，一个元件用于Z柱塞(ram)，以利用主动元件补偿低频效应)，而另一个用于提供所述机器的准确度或补偿(例如，五个元件用于Z柱塞；以补偿在较高频率和/或较高精度下的弯曲振荡)。

特别是，高达1kHz的频率-考虑到现有技术的CMM-与测量点的准确度相关。

关于控制状态变量的确定，还可以基于基于模型的估计(使用所述动态模型)或者基于测量和/或基于监视所述模型状态变量，特别是监视所述模型状态变量的变化，来导出所述至少一个控制状态变量。

此外，可以至少通过基于模型的估计或者测量和/或通过监视所述模型状态变量，导出所述一组至少一个控制状态变量中的一特定控制状态变量。

此外，关于所述实际状态的确定，所述实际状态可以通过基于所述动态模型的计算来导出。

另选地或者另外，所述一组至少一个控制状态变量中的至少一个控制状态变量通过利用传感器测量对所述测量装置的激发和/或影响和/或通过根据路径轨迹的计算来导出，特别是其中，所述至少一个控制状态变量根据确定所述相应物理特性导出。

根据本发明另一实施方式，通过测量或估计所述物理特性中的至少一个物理特性并且由此导出至少一个对应实际控制状态变量，来导出所述实际状态，特别是确定所述实际状态的变化。特别是，所述实际状态的变化由所述物理特性中的至少一个物理特性的变化而造成，特别是由影响所述测量装置的施加力而造成，特别是通过移动所述结构性部件而造成。特别是，估计所述物理特性中的至少一个述物理特性由一组观察器提供(例如，使用卡尔曼滤波)。

如上面已经提到，所述至少一个控制状态变量可以与实际状态对应，即，所述控制状态变量具有实际状态的相同类型和值。

根据本发明的优选实施方式，所述状态控制器包括观察器，该观察器提供所述至少一个控制状态变量的确定，特别是其中，所述观察器由卡尔曼滤波器提供。

因此，上述方法涵盖由观察器产生的状态变量的使用，以特别地增强例如CMM的控制性能，尤其是使用估计状态来主动阻尼系统。这是由利用动态模型和状态控制器的总体控制理念提供。

为了实现所述动态模型和状态空间控制器-根据本发明的实施方式-所述动态模型和所述基于模型的状态控制器以组合的方式实现，特别是其中，所述动态模型表示所述状态控制器的被实现部分。因此，所述系统的总体控制的这些逻辑部分没有限定的分离，而是以整合方式提供控制。

所述动态模型还提供了在任何时刻精确导出多种机器状态的可能性。因此，所述测量装置的实际偏转可以基于所述动态模型导出，特别是其中，所述测量装置的实际姿态可以基于所导出的偏转来校正。

此外，所述测量装置的至少部分的实际速度可以基于所述动态模型导出，和/或所述测量装置的指定点的实际位置可以基于所述动态模型导出，和/或测量误差可以基于所述动态模型补偿。

通过使用如上所述的状态控制器的基于模型的理念可应用于各种计量机器，例如，坐标测量机、全站仪、激光跟踪仪或激光扫描仪。

因为技术人员完全已知通用种类的坐标测量机的设计以及不同线性引导件和不同线性测量仪器的设计，所以必须理解，可以进行不同特征的多种修改和组合。所有这些修改都落入本发明的范围内。

由此，本发明总体上可以与所有类型的坐标测量机一起使用，即，与被设计为并联运动学机器的CMM以及与具有线性或串联运动学的CMM一起使用。示例性地，CMM可以被设计为桥型、L桥型、横臂型、悬臂型或台架型机器(gantry-type machine)，或者可以被设计为铰接臂(articulated arm)。另外，本发明还涉及具有旋转轴的坐标测量机(诸如，Scara型和delta运动学(并联运动学)和具有铰接头的机器)。

下面，更具体地说，参照可根据上述状态空间控制方法控制的测量装置的类型，所述测量装置可以被具体实施为坐标测量机，该坐标测量机具有：基部；探头；机器结构，该机器结构用于将所述探头链接至所述基部；以及至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头相对于所述基部的移动性，所述驱动机构表示所述驱动单元。所述结构部件被具体实施为所述基部、所述探头和/或所述机器结构。

另选地，所述测量装置可以被具体实施为大地测量仪器，特别是激光扫描仪、激光跟踪器或全站仪，所述大地测量仪器具有：支承结构，该支承结构被安装在所述测量仪器的基部上，使得所述支承结构能够绕由所述基部限定的第一轴枢转；以及电磁辐射源，该电磁辐射源用于生成测量束。此外，所述大地测量仪器包括：指引单元，该指引单元用于指引所述测量束，所述指引单元被设置在所述支承结构处，以便提供所述指引单元绕由所述支承结构限定的第二轴的枢转性，所述第二轴基本上垂直于所述第一轴；以及测量功能，该测量功能用于按预定方式提供所述测量束的指引和引导并相应地测量距离。

根据上述状态控制方法，所述至少一个模型状态变量可以限定所述测量装置的至少部分的下列因素中的至少一个或组合和/或相应因素的变化：

·加速度，特别是旋转加速度，

·速度，特别是旋转速度，

·位置，

·弯曲，

·变形，

·位移，

·取向，

·温度，

·湿度，

·扭矩，

·力，

·刚度，

·刚度分布，

·质量和/或

·质量分布。

这些因素中的至少一个可以通过使用相应观察器或卡尔曼滤波的动态模型来考虑。

此外，所述至少一个控制状态变量的变化或者模型状态变量的变化可以基于下列所述物理特性中的至少一个和/或相应物理特性的变化导出，特别是通过所述物理特性中的至少一个物理特性的基于传感器测量导出：

·加速度，特别是旋转加速度，

·速度，特别是旋转速度，

·位置，

·偏转，

·扭矩和/或

·力。

根据本发明的特定实施方式，对所述物理特性进行监视，特别是说测量，并且至少基于所述一组模型状态变量和所监视的物理特性来计算所述测量装置的至少部分的实际状态。

本发明还涉及一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行指令用于特别是当在坐标测量机的控制和处理单元上运行时执行如上所述方法。

本发明还涉及用于减少发生测量装置的部分的振荡效应的另一种方法。本发明还涉及用于提供坐标测量机(CMM)的至少部分的主动阻尼功能的方法。上述坐标测量机包括：基部；探头；机器结构，该机器结构具有用于将所述探头链接至所述基部的结构部件；以及至少一个驱动单元，所述至少一个驱动单元用于提供所述探头相对于所述基部的移动性。针对坐标测量机的至少部分提供动态状态信息。

根据本发明的该问题，所述坐标测量机包括用于施加限定力的可控致动器。此外，所述方法包括以下步骤：通过基于所述动态状态信息的确定导出所述坐标测量机的至少部分的实际状态，并且基于所导出的实际状态确定控制参数，所述控制参数适于提供所述致动器的控制，使得按限定方式影响所述实际状态。

针对限定力的相应施加，可以将相应控制信号应用至所述致动器，所述控制信号基于所述控制参数导出。

根据本发明的实施方式，所述致动器附接至所述结构部件、所述探头或所述基部中的一个，其中，所述力可在所述相应部件处生成。当然，应当理解，可以将一个以上的这种致动器附接至所述CMM，并且由此提供更大范围的限定力的施加。

考虑关于所述CMM的动态状态信息，这种信息可以以几种方式提供。坐标测量机的至少部分的动态状态信息可以借助于具有一组模型状态变量的动态模型来提供，所述模型状态变量与所述坐标测量机的至少部分的一组物理特性相关，并且表示所述坐标测量机的至少部分的实际状态。

此外，通过使用观察器可以提供坐标测量机的至少部分的动态状态信息。另选地或者另外，可以基于这种观察器导出所述模型的一组模型状态变量，即，特别是，可以利用所述动态模型实现观察器。

在该背景下，特别是，可以通过基于所述动态模型和/或这种观察器的计算，导出所述坐标测量机的至少部分的实际状态。

根据另选或附加方法，借助于传感器单元的测量提供坐标测量机的至少部分的动态状态信息，特别是其中，所述传感器单元包括加速度传感器。使用用于这种测量的加速度计，可以直接测量机器部分的振荡，并将其提供给所述方法作为用于确定所述控制参数的输入变量。

这种相应传感器单元可以被附接至结构部件、探头或基部中的一个。

特别是，所述传感器单元和所述致动器被附接至所述坐标测量机的同一部分，并且彼此靠近地被定位。这种设计使能非常直接地测量机器振动，并且通过所述致动器施加反应，尤其是在发生振动的位置处。由此，可以进一步改进直接阻尼。

另选地，可以组合由一个或更多个传感器单元和由所述动态模型或观察器提供的信息，以便提供所述致动器的相应控制。

根据本发明的另一实施方式，有关针对所述探头的计划移动路径的信息还被用于导出实际状态。这种信息通常可以由用于测量期望工件的部分程序提供。

关于坐标测量机或其部分的实际状态，更具体地说，可以基于动态状态信息导出关于坐标测量机的至少部分的实际振荡的振荡信息，特别是其中，所述实际振荡表示实际状态。因此，关于机器部分的实际振荡或振动的知识可以通过(基于模型的)计算和/或(基于传感器的)测量和/或两者的组合来提供。

此外，所述控制参数可以基于所导出的振荡信息确定，并且基于所述控制参数，通过引入抵消实际振荡的限定力由所述致动器提供阻尼致动。

致动器可以被设计为音圈、压电单元或记忆金属元件和/或气动元件。

涉及使用主动致动器的本发明还涉及坐标测量机，该坐标测量机包括：基部；探头；机器结构，该机器结构具有用于将所述探头链接至所述基部的结构部件；至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头相对于所述基部的移动性；以及控制和处理单元，该控制和处理单元适于提供坐标测量机的至少部分的动态状态信息。

根据本发明，所述坐标测量机包括用于施加限定力的可控致动器，并且所述控制和处理单元适于提供主动阻尼功能的执行。所述主动阻尼功能包括通过基于动态状态信息的确定导出所述坐标测量机的至少部分的实际状态，并且基于所导出的实际状态确定控制参数，所述控制参数适于提供所述致动器的控制，使得可按限定方式影响所述实际状态。

特别是，所述坐标测量机的所述控制和处理单元和/或所述致动器适于执行如前面所述的方法(使用致动器)。

涉及使用致动器的本发明还涉及一种具有计算机可执行指令的相应计算机程序产品，所述计算机可执行指令用于特别是当在坐标测量机的控制和处理单元上运行时执行所述方法。

本发明还涉及用于避免和减少测量装置的至少部分的振动或振荡的激发的另一种方法。该方法与用于控制测量装置的第一结构部件和第二结构部件的相对移动的方法对应，所述测量装置包括用于提供所述第一结构部件和第二结构部件相对于彼此的移动性的驱动单元。所述方法包括以下步骤：通过向所述驱动单元应用控制信号，根据期望移动相对于彼此移动所述结构部件；以及通过使用频率滤波器元件，对涉及与所述结构部件中的至少一个结构部件的物理特性有关的已知频率响应(振荡行为)的所述控制信号进行滤波。

根据本发明，至少所述第二结构部件被设计成包括一个(至少一个)可变物理特性，特别是取决于附接至所述第二结构部件的可移动子结构的相对位置(这导致根据可变振荡行为(固有频率)的物理特性))，并且所述频率滤波器元件被设计成相对于可滤波频率范围是可调节的(可调谐的)。

另外，特别是通过计算和/或测量来连续地监视第二结构部件的可变物理特性，并且基于此，确定所述物理特性的变化。此外，基于所确定的物理特性的变化，导出结构部件中的至少一个结构部件的实际频率响应(实际振荡行为)，其中，确定至少一个相关频率区域，并且可滤波频率范围根据至少一个相关频率区域被连续地(特别是，自动地)调节。

特别是，所述频率滤波器元件被设计为陷波滤波器、超前滤波器、滞后滤波器、双二次滤波器、低通滤波器、高通滤波器、或其任何组合，其中，所述滤波器可以在用于所述测量装置的总体控制回路的背景下被实现。特别是，所述滤波器被实现为数字FIR或IIR滤波器，其中，所述滤波器系数依赖于姿态来调节以考虑到姿态或者根据所述姿态来匹配所述固有频率和/或阻尼变化(可移动子结构相对于第二结构部件的位置)。

按照根据本发明的滤波方法的实施方式，提供用于控制驱动单元的控制回路，其中，所述控制信号被提供为所述控制回路的输出信号。

特别是，所述频率滤波器元件在控制回路中被实现，和/或被设计为(逻辑上)置于所述控制回路前面或后面的单独控制元件。

此外，所述频率滤波器元件可以在所述控制回路中被实现，使得减少或避免与相关频率区域有关的振荡的激发。优选地，这通过使用频率滤波器元件对控制信号进行滤波，并且由此向驱动单元提供预滤波信号来提供。通过这样做，调节所述驱动单元的致动，使得在移动所述结构部件时减少或不出现振荡。

换句话说，所述频率滤波器元件相对于所述可滤波频率范围进行设计和调节，使得在相关频率区域的限制内减少或避免所述结构部件中的至少一个结构部件的振荡的激发。

根据本发明的优选实施方式，通过改变分配给频率滤波器元件的滤波器参数，来提供所述频率范围的调节。因此，所述滤波器元件可以仅通过改变所述滤波器参数而保持实际状态值恒定来调节。这提供了滤波器的滤波特性的快速和精确切换，从而能够实现所述装置的可靠且连续的振荡减少控制。

关于所述频率响应或振荡的确定以及相应阻尼的调整，所述滤波方法可以被设计成基于使用所确定的物理特性的变化或者使用根据所确定的物理特性的变化所导出的实际物理特性的计算，导出实际频率响应或振荡行为，和/或自适应所述频率滤波器元件。另外或另选地，这可以基于提供所述实际频率响应与所述物理特性或所述实际物理特性的变化的相关性的查找表和/或基于提供所述相关(振荡)频率区域与所述物理特性或所述实际物理特性的变化的相关性的查找表来提供。特别是，应用所述查找表的值的插值。

鉴于所述物理特性，所述物理特性可以用下列物理特性组中的至少一个(或组合)来表示：

·加速度，特别是旋转加速度，

·速度，特别是旋转速度，

·姿态，

·偏转，

·扭矩，

·力，

·质量，

·质量分布，

·刚度，和/或

·刚度分布，

特别是其中，所述物理特性根据基于传感器的测量来确定。

有关所述物理特性(或者所述测量装置的状态)的信息可以借助于具有一组模型状态变量的动态模型来提供，所述模型状态变量与所述坐标测量机的至少部分的一组物理特性相关，并且表示所述坐标测量机的至少部分的实际状态。

此外，还可以通过使用观察器导出有关所述物理特性(或状态)的信息。另选地或者另外，可以基于这种观察器导出所述模型的一组模型状态变量，即，特别是，可以利用所述动态模型实现观察器。

现在，参照可根据上述状态空间控制方法控制的测量装置的类型，所述测量装置可以被具体实施为坐标测量机，该坐标测量机包括：基部；探头；机器结构，该机器结构用于将所述探头链接至所述基部；以及至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头相对于所述基部的移动性，所述驱动机构表示所述驱动单元，所述第一结构部件和/或所述第二结构组件被具体实施为所述基部、所述探头和/或所述机器结构。

另选地，所述测量装置可以被具体实施为大地测量仪器，特别是激光扫描仪、激光跟踪器或全站仪，所述大地测量仪器具有：支承结构，该支承结构被安装在所述测量仪器的基部上，使得所述支承结构能够绕由所述基部限定的第一轴枢转；电磁辐射源，该电磁辐射源用于生成测量束；指引单元，该指引单元用于指引所述测量束，所述指引单元被设置在所述支承结构处，以便提供所述指引单元绕由所述支承结构限定的第二轴的枢转性，所述第二轴基本上垂直于所述第一轴；以及测量功能，该测量功能用于按预定方式提供所述测量束的指引和引导并相应地测量距离。所述第一结构部件和/或所述第二结构部件被具体实施为所述基部、所述支承结构和/或所述指引单元。

因为技术人员已知通用种类的坐标测量机的设计以及不同线性引导件和不同线性测量仪器的设计，所以应当理解，可以进行不同特征的多种修改和组合。所有这些修改都落入本发明的范围内。

由此，本发明总体上可以与所有类型的坐标测量机一起使用，即，与被设计为并联运动学机器的CMM以及与具有线性或串联运动学的CMM一起使用。示例性地，CMM可以被设计为桥型、L桥型、横臂型、悬臂型或台架型机器，或者可以被设计为铰接臂。此外，本发明还涉及具有旋转轴的坐标测量机(诸如，Scara型和delta运动学(并联运动学)和具有铰接端头的机器)。

本发明还涉及上述坐标测量机，该坐标测量机包括：基部；探头；机器结构，该机器结构至少具有用于将所述探头链接至所述基部的第一结构部件和第二结构部件(特别是其中，所述基部和/或所述探头用所述结构部件中的一个结构部件来表示)；至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头相对于所述基部的移动性；频率滤波器元件；以及控制和处理单元。所述控制和处理单元适于通过向所述驱动单元应用控制信号根据期望移动提供所述结构部件相对于彼此的移动，并且适于通过使用频率滤波器元件对涉及与所述结构部件中的至少一个结构部件的物理特性有关的已知频率响应的控制信号进行滤波。

根据本发明，至少第二结构部件提供可变物理特性，特别是根据附接至所述第二结构部件的可移动子结构的相对位置，并且频率滤波器元件被设计成可相对于可滤波频率范围进行调谐。另外，控制和处理单元适于提供滤波功能的执行。所述滤波功能包括监视第二结构部件的可变物理特性，并且基于此，确定所述物理特性的变化，基于所确定的物理特性的变化导出所述结构部件中的至少一个结构部件的实际频率响应，其中，确定至少一个相关(振荡)频率区域，并且根据所述至少一个相关频率区域调节可滤波频率范围。

特别是，所述坐标测量机的控制和处理单元适于执行使用上述频率滤波器的方法。

根据本发明的具体实施方式，所述频率滤波器元件由通过改变相应滤波器参数而具有可变可设置可滤波频率范围的陷波滤波器来表示。

本发明还涉及一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行指令用于特别是当在坐标测量机的控制和处理单元上运行时执行上述滤波方法。

当然，应当理解，上述和下面描述的使用致动器来控制测量机的多个部分的移动或者阻尼这种机器部分的各方法可以被组合，并同时应用于诸如CMM的测量机。例如，状态空间控制器与可控致动器或频率滤波器元件组合以提供更好的测量条件。

附图说明

下面，参照附图中示意性地示出的工作示例完全通过实施例的方式对根据本发明的方法和装置进行更详细描述或说明。特别是，

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示出了测量机的驱动单元的示意性模型；

图3示出了例示使用基于模型的状态控制器以便控制利用根据本发明的测量装置的移动或测量的通用原理的框图；

图4a至图4b示出了根据本发明的坐标测量机(CMM)的实施方式，其中，提供了用于坐标测量机的至少部分的主动阻尼功能；

图5示意性地示出了利用其可应用用于根据本发明的机构的滤波控制的方法的非线性机构；以及

图6示出了用于控制根据本发明的测量装置的驱动单元的频率滤波的原理。

具体实施方式

在图1中，描绘了根据本发明的门式坐标测量机1(CMM)的示例性实施方式，坐标测量机1包括：基部11以及用于将探头15链接至基部11的框架结构，该框架结构包括可相对于彼此移动的几个框架部件12、13、14。第一框架部件12是具有两个门腿的门(portal)，所述两个门腿在它们的上端通过桥接部分连接。通过驱动机构(未示出)驱动，框架部件12能够沿基部11的纵侧移动。该方向对应于第一方向X。框架部件12的移动具体通过附接至基部11的、与框架部件12的小齿轮啮合的齿条(gear rack)来执行。

滑架(carriage)14被可移动地设置在框架部件12的桥接部分上。滑架14的移动(其要被视为另一框架部件)也可以通过齿条和小齿轮实现。构建另一框架部件的垂直杆13(套筒，Z柱塞)可移动地并入滑架14中。在垂直杆13的底部，设置了探头15。

该探头15可沿X、Y以及Z方向移动至坐标测量机1的测量体积中的任何期望点。测量体积通过基部11和框架部件12、13来限定，并且特别是，根据滑架14的可移动范围来限定。尽管对于本发明来说不是必需的，但这三个空间方向X、Y以及Z优选地彼此正交。应注意到，未示出用于驱动框架部件的、并由此未示出用于驱动探头15的驱动机构和控制器。

待测物体5被定位在基部11上的测量体积的空间中。

示例性地设置有触针(stylus)的探头15被紧固至杆13的下自由端上。该触针以本身已知的方式用于接触待测物体5。然而，本发明不限于触觉式坐标测量机，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。更一般地说，探头15可以被设计成布置接触探针，例如，扫描或接触式触发探针，或者非接触探针，具体为光学、电容或电感探针，和/或铰接式探针。

可移动构件与引导件之间的两种最常见的轴承类型是空气轴承或滚珠轴承(例如，线性循环加轨道)。空气轴承具有移动中没有摩擦的优点(其可能引入不同种类的误差，像角度误差或滞后)。空气轴承的缺点是刚度低于滚珠轴承，使得可能出现特定动态误差。在滚珠轴承型方面，轴承系统中的刚度通常较高，但存在摩擦力，并且摩擦力可能引起误差。然而，本发明可以应用于两种类型的轴承。

总之，坐标测量机1被构建成用于确定待测物体5上的测量点的三个空间坐标，并且因此，包括用于提供探头15沿第一方向、第二方向以及第三方向(X、Y以及Z方向)相对于基部11的移动的三个线性驱动机构，并且特别是，提供附加旋转自由度的机器部件(例如，铰接探针)。

每个线性驱动机构都具有线性引导件，分别为一个沿第一方向、一个沿第二方向、以及一个沿第三方向(X、Y以及Z方向)。在简单实施方式中，Y方向驱动机构的线性引导件由基部11的两个边缘构建表面形成，X方向驱动机构的线性引导件由桥的两个或三个表面形成，以及Z方向驱动机构的线性引导件由X滑架构件中的立方孔形成。

此外，每个线性驱动机构都包括可移动构件，所述可移动构件被支承以通过轴承沿着引导件移动。特别是，Y方向驱动机构的可移动构件被具体实施为具有相对于基座11的上述两个或三个引导表面相互面对的表面的Y滑架。X方向驱动机构的可移动构件被具体实施为具有相对于桥的上述两个或三个引导表面相互面对的表面的X滑架14。另外，Z方向驱动机构的可移动构件由具有相对于X滑架中的立方孔的内表面相互面对的表面的Z柱13(套筒)形成。在本发明的范围中，应当理解的是，面对的表面不限于形成立方孔，而是可以以更一般的方式布置。

此外，每个线性驱动机构都包括线性测量仪器，所述线性测量仪器用于分别确定每个可移动构件分别沿第一方向、第二方向或第三方向(X、Y和Z方向)的第一驱动位置、第二驱动位置或第三驱动位置。

在图1的该示例性实施方式中，门脚各具有允许第一框架部件12沿Y方向移动的可移动Y滑架。

作为Y测量仪器的部分的测量标尺(measuring scale)10Y在基部11的长边上被示意性地表示，其中，标尺10Y平行于Y方向延伸。该标尺可以是玻璃测量标尺，例如，具有增量或绝对编码，利用其可以确定Y滑架沿Y方向的驱动位置。应当理解的是，尽管为简单起见在此没有表示，但是测量仪器还可以包含用于读取测量标尺10Y的合适的传感器。然而，应当指出，本发明不限于使用玻璃测量标尺，并且因此也可以与用于记录驱动机构的可移动构件的驱动/行进位置的其它测量仪器一起使用。

另一测量标尺10X平行于X方向被布置在第一框架部件12的桥状部分上。最后，另一测量标尺10Z也平行于Z方向被布置在Z柱塞14上。借助于作为线性测量仪器的部分的测量标尺10X、10Z，可以以本身已知的方式计量地记录第二框架构件14沿X方向和套筒13沿Z方向的当前驱动位置。

在所示实施方式中，基部11包括用于支承待测物体5的、具有花岗岩表面板的桌面，在所述桌面上，旨在确定测量点的空间坐标。

未示出的是控制和处理单元，其被设计成致动坐标测量机1的电机驱动，以使探头15行进至测量点。该控制和处理单元包括处理器和存储器。特别是，该控制和处理单元被设计用于确定物体5上的测量点的三个空间坐标，作为所述三个驱动机构的至少第一驱动位置、第二驱动位置以及第三驱动位置的函数。

对于手动操作来说，该控制单元可以连接至用户操纵台。该控制单元还可以完全自动地接近并测量待测物体5的测量点。

因为技术人员完全已知通用种类的坐标测量机的设计以及不同线性引导件和不同线性测量仪器的设计，所以必须理解，可以进行不同特征的多种修改和组合。所有这些修改都落入本发明的范围内。

由此，本发明总体上可以与所有类型的坐标测量机一起使用，即，与被设计为并联运动学机器的CMM并且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、横臂型、悬臂型或台架型机器，或者可以被设计为铰接臂。此外，相应CMM可以包括铰接式探头、旋转台或旋转轴，或者可以是Scara型机器。

此外，本发明的上下文中的CMM还应被理解为用于精确定位和/或精确组装工件或工具和/或用于涂敷材料(例如，喷涂或印刷油漆或其它材料)的系统。这种系统被设计成提供在由相应系统的结构限定的工作体积内位置的移动和测量，并且限定坐标系，在所述坐标系内，提供了具有高精度的系统部件的定位。特别是，这种系统提供工件或工具相对于另一工件以高精度承载和放置。例如，可以基于根据本发明的动态模型的执行来操作和控制提供精确定位和/或测量能力的机器人。

此外，根据本发明，控制和处理单元可以包括用于基于表示CMM 1的(至少部分)的物理参数的模型而动态地-特别是连续地-计算坐标测量机1的偏转的功能。对于这种动态计算，监视对CMM 1的激发和/或对CMM 1的外部影响(例如，通过测量物理特性或通过计算参数)，并且根据该监视更新系统变量。以限定时间间隔执行监视和更新参数的处理。因此，确定各个系统参数和相关物理特性(即，物理特性的值)的变化，并且将其另外存储在数据库中，并且可以基于具有来自数据库的值的该模型执行偏转计算。通过考虑几个物理参数的历史，所述物理参数被设定用于通过随时间的模型表示CMM 1的至少部分，可以进行对在CMM 1处发生的变形和/或振动的真实动态计算，并且可以补偿因所述偏转而造成的误差。使得能够计算固有频率，并且它们的影响也可以在数学上被校正。

此外，根据建模坐标测量机的另选方法，控制和处理单元可以包括用于基于模型而动态地-特别是连续地-计算坐标测量机1的偏转的功能，该模型通过限定状态变量表示CMM 1的至少部分。为了导出CMM 1的精确状态，执行滤波处理，具体为使用卡尔曼滤波，其中，基于状态变量，导出描述CMM 1的期望连续状态的进一步的预测变量(估计)。另外，(例如，通过测量物理特性)分别监视一些状态变量或物理特性，并且确定涉及相应状态变量的值的变化。在滤波处理的另一步骤中，将所监视的变量(具有确定的变化)与预测变量进行比较，并且基于该比较，导出连续的一组新状态变量。这些变量表示CMM 1的最接近(即，连续)状态。例如，变量的比较可以通过计算加权平均值来进行，其中，可以对具有较高确定性的变量赋予较大的权重。

采用该连续的一组状态变量来更新该模型。因此，先前的一组变量基于该连续变量来实现，特别是其中，先前的变量被连续变量替换。例如，有关CMM 1处的力的先前值被所实现的力值替换。

然后可以分别根据连续的一组变量或根据所实现的模型来计算CMM 1的连续状态。因此，例如，可以导出CMM 1的或CMM 1的至少部分的实际弯曲或扭转作为连续状态。此外，可以计算CMM 1的结构的或指定点的位移，并且据此，可以生成关于CMM 1的探针(或探头15)的位移的误差信息。可选地，根据本发明的另一具体实施方式，使用该误差信息来补偿测量值。

根据一实施方式，通过连续更新建模参数(变量)并利用实际参数重复计算机器的实际状态来递归地执行以上计算(使用所计算的估计和测量的变量)。因此，可以忽略一个或更多个模型参数的历史发展，并且变量要被观察并存储仅一个时间步长(例如，从机器状态的第一次计算到第二次计算)，其中，要执行的时间步长可适于每个计算，即，可以跳过时间步长或使用交替的时间步长。

此外，建模方法使得能够跟踪CMM 1的至少部分的状态，并且分别导出该部分的变形或位移。因此，定义模型以及执行物理参数的滤波并且计算CMM 1的实际状态允许减少因CMM 1的动态行为而造成的误差。上述功能为动态建模机器参数并且为计算(并且特别是校正或补偿偏转，即，为动态改变偏转)提供了改进且精确的基础。

这种建模方法例如从EP 2 762 831 A1获知并且在EP 2 762 831 A1中进行了更详细描述。

上述功能为动态建模机器参数并且为计算(并且特别是校正或补偿偏转，即，为动态改变偏转)提供了改进且精确的基础。

定义模型以及执行监视物理参数和计算CMM 1的实际状态的上述方法允许减少因CMM 1的动态行为而造成的误差。至少这两种方法要被理解为表示旨在用于本发明的上下文中、用于证明CMM或任何其它种类的测量装置的实际状态的动态模型。

换句话说，当涉及本申请内的动态模型时，优选的是，上述建模方法之一提供了用于基于相应动态模型进行计算的基础。

根据本发明的第一优选实施方式，处理和控制单元提供对测量装置的至少两个结构部件的相对移动的改进控制。测量装置可以被具体实施为CMM，但根据另选实施方式，也可以以测量仪器或任何其它种类的测量装置的形式。

借助于具有一组模型状态变量的动态模型提供这两个结构部件中的至少一个的动态状态信息。该动态模型可以根据上述模型之一来实现。此外，提供了用于控制测量机1的驱动单元的基于模型的状态控制器。

用于状态控制器的输入参数或基本信息是关于测量装置1的实际状态的一类信息，其可以通过使用动态模型来导出。这种实际状态可以是测量装置1的至少部分的实际振动或弯曲。该实际状态例如取决于CMM的移动部分的加速度，取决于移动部分的特定质量和/或该部分的固有频率。

基于机器1的所确定的实际状态并因此具有关于输入控制状态变量的知识，借助于基于模型的计算在状态控制器的一侧上生成控制参数。导出该控制参数，使得在使用用于相对于彼此驱动结构元件的控制参数时实际状态以限定方式被影响。

特别是，该控制参数提供驱动单元的电机移动，使得引起结构部件中的一个结构部件相对于第二部件的反向移动，特别是其中，通过对电机的相应控制(例如，具有特定相移的振荡)来引起反振荡。

根据本发明的第二优选实施方式，坐标测量机1的处理和控制单元为机器1提供改进的主动阻尼功能。这里，CMM包括用于向系统施加限定力的主动可控致动器(未示出)。该致动器例如可以附接至腿12、Z柱塞13或探头15中的一个。

该致动器可通过使用相应控制参数来控制，这些控制参数通过使得能够生成相应控制信号来提供致动的限定控制。另外，提供坐标测量机的至少部分的动态状态信息。这种动态状态信息可以由上面的动态模型提供，所述动态模型精确地描述了CMM 1的动态行为，或者通过使用附接至CMM 1的传感器单元来提供，具体为紧密附接至致动器的传感器单元来提供，以便提供测量信息和致动的良好相关性。换句话说，CMM的测量动作(通过传感器)和致动器的基于测量动作的所引起的反应密切相关。

此外，基于所提供的动态状态信息，可以导出CMM 1的至少部分的实际状态。该实际状态例如表示振动、弯曲、变形、位移等或其组合。该控制参数基于所导出的实际状态来确定，其中，该控制参数适于提供致动器的控制，使得按限定方式影响实际状态，即，例如，该致动器被控制为生成抵消所确定的振荡的力。

根据本发明的第三优选实施方式，坐标测量机1的处理和控制单元提供测量装置(特别是CMM 1)的第一结构部件(例如，门腿12)相对于第二结构部件(例如，X梁)的移动的改进控制。

这里，由测量机提供频率滤波器。基于控制和处理单元的控制，这两个结构组件相对于彼此移动，其中，相对于所述结构部件中的至少一个结构部件的已知振荡行为对该控制信号进行滤波。

另外，第二结构部件包括提供该元件的物理特性是可变的设计，即，该物理特性可以随时间变化。特别是，该物理特性与该部件的质心有关，例如，取决于可移动地附接到第二部件的另一部件的位置。因此，第二结构元件的共振或固有频率也随该物理特性的变化而变化。

基于关于该物理特性的改变的信息(由监视处理提供)，可以导出相应部件的至少振荡行为(例如，通过基于模型的计算(使用上述模型)或者使用相应查找表)。由于频率滤波器被设计为鉴于要滤波的频率或频带是可变的，所以滤波器的滤波特性可以(通过控制单元)被调节为配合结构元件的实际振荡行为。

另外，频率滤波器可以关于其阻尼特性进行调节。这意指，因为导出了、结构元件的实际振荡行为并因此还可以提供关于振荡幅度的信息，所以由频率滤波器元件提供的阻尼的量(功率或强度)可以被相应地调节。

通过进行这种滤波调节，对控制信号进行滤波，其在所述部件相对于彼此移动时相应地导致相应频率的不激发。控制驱动单元的电极，使得相应频率在机器结构内不被激发。这种方法减少或最终甚至避免具有大幅度的谐振和振荡的出现。

图2示出了测量机的(特别是坐标测量机或大地测量仪器的)驱动单元20的示意性模型。

该模型表示驱动单元20，其包括由小滑轮22、大滑轮23以及传送带24提供的传动装置21。小滑轮22连接至以限定速度、加速度以及旋转方向提供小滑轮22的旋转的电机。特别是，速度计连接至电机。

此外，该模型包括对测量机的被驱动部分的描述。还有两个滑轮25和25'，其中一个(25)与大滑轮23固定在一起，从而提供齿轮级。线性带26由滑轮25、25’支承，其中，质量27被附接至带26，以便通过控制电机而移动。该质量27可以表示由带驱动的另一结构子元件。例如，质量27可以表示机器相对于质量27要沿着移动的轴的另一可移动且更复杂的部分。该部分可以包括部分可变的某些特性，像质量、惯性或弹性，特别是，多个状态空间表述可以描述该部分的偏转状态。

这种模型例如使得能够确定驱动坐标测量机的Y轴的状态(还参见图1)。质量27和/或例如也由质量元件27表示的惯性表示要对应于特定模型状态变量移动的桥。这种状态变量可以由不同的动态模型提供，其中，每个动态模型允许这些状态值中的至少一个状态值的确定。此外，带26由质量成分(mass component)和限定弹性的集合表示。滑轮25和25'可以由定义的惯性参数表示。另外，传送带24以及滑轮22和23可以被实现为弹性元件和另外的惯性部件。特别是，角度参数专注于电机或小滑轮22。

使用这种建模方法，提供了用于驱动Y轴的总体控制系统，其中可以提供用于另外的机器轴的附加和相应模型，并且有助于总体控制。

为了将根据本发明的方法应用至CMM的Y驱动，可以提供X梁绕第一腿的扭转的阻尼。此外，也可以实现Z柱塞(加滑架)绕X梁的转动的阻尼以及支承腿相对于X梁的弯曲(绕X轴的旋转)的阻尼。在本发明背景下，应当理解的是，该状态控制方法的应用不限于Y驱动，而是可以相应地针对X驱动和/或Z驱动实现。

该模型例如通过使用相应观察器提供几种子状态或机器状态的确定。例如，滑轮22、23、25、25'的相应角位置或转速可以通过相应传感器单元测量(例如，编码器)和/或观察(例如，使用卡尔曼滤波器)，和/或通过该模型描述带26的或其它部件(例如，部分27)的弹性行为。然后，可以将该系统的这种特定子状态用于控制驱动单元20的电机。为此，为控制回路的状态空间控制器提供至少一个实际子状态或实际机器状态。

该状态空间控制器使用实际状态信息作为相应控制状态变量并且使用至少一个目标参数作为输入，并且基于此，提供驱动单元20的电机的调节控制。

该实际状态信息可以与一个单个机器部件(例如，质量27)相关或者与这种部件的组合相关，和/或可以与该机器的非部件相关特性相关，例如，与涉及一个机器部件或者延伸到多个机器部件上的振荡或振动相关。

驱动单元20的该示意性模型可以另选地或另外包括倾向于可能偏转的机器部件。

基于该方法，(通过测量和/或基于模型)可以观察质量27(例如，表示CMM的桥)的不想要的移动行为(像质量27的振荡)，并且可以通过使用电机生成相应的反作用力来抵消。换句话说，可以控制电机，使得在系统中引起变化力，其中，力的变化暂时地被调节为质量27的所观察的振荡(频率)，并且以限定相移施加，以便抵消该振荡。

结果，质量27可以保持在一个期望位置而不产生质量27的振动，其中，在将质量27保持在该位置期间，电机(静止)引起相应的反作用力。

根据本发明的具体实施方式，状态控制器提供如上所述模型，即，该模型构建状态控制器的实现部件。

根据本发明的另一实施方式，状态控制器是基于模型的，其中，该模型基于黑盒模型或者基于拟合和/或参数化的传递函数(例如，加速度相对于电机转矩)。可以使用物理模型来正确识别共振。

图3示出了例示使用基于模型的状态控制器以便控制利用根据本发明的具体实施方式的测量装置的移动或测量的通用原理的框图。

移动控制的相应方法包括具体由上述动态模型具体表示的受控系统30，所述动态模型使得能够通过使用相应模型状态变量来精确地描述测量装置(例如，坐标测量机)的实际状态。这种模型状态变量表示测量机的物理特性(例如，结构部件(例如，滑架或Z柱塞)的质量)，和/或这种部件的加速度和/或通过这种加速或通过外部影响而施加的力。模型状态变量可以利用用于相应物理特性的观察器32和/或通过基于模型的估计或计算和/或测量来导出。这里，观察器32可以提供结构部件的速度的确定。另选地，可以使用多个模型的多个观察器(一组观察器)来提供待描述机器的状态。

此外，控制器包括状态(-空间)控制器31。根据示例性实施方式，状态控制器的第一输入以(例如，待控制部分的)目标位置33的形式。状态控制器31向受控系统30提供目标加速度34(和/或电流和/或力)，其中，该模型提供实际位置信息35作为输出。

因此，实际位置信息35和关于实际加速度36的信息可以直接通过相应部分的实际状态的基于模型的确定来提供。此外，观察器32向状态控制器31提供实际速度信息37。这三个输入变量-待控制相应部分关于其目标位置的实际位置35、加速度36以及速度37-与给定目标位置33一起用作到状态控制器31的输入变量。基于该给定信息的组合处理，目标加速度值34被重新计算、被更新并被提供给受控系统。应当理解的是，位置35、加速度36以及速度37的所提到的状态被示例性地提出。这些状态也可以被其它与机器有关的状态替换。

通过这样做，由状态控制器连续确定的目标值(这里：加速度、电流和/或力)被提供给受控系统，并用于控制该系统的相应驱动单元，以便满足待控制部分的期望目标参数。

图4a示出了本发明的坐标测量机2(CMM)的实施方式，其中，通过使用主动可控致动器40来提供用于坐标测量机2的至少部分的主动阻尼功能。

CMM 2包括：基部11、第一腿12’、支承腿12"、由桥支承的滑架14，以及可沿Z方向移动的Z柱塞13。第一腿12'和支承部12"是桥的部分。该桥可沿Y方向移动，滑架14可沿X方向移动。提供致动器40用于向支承腿12"施加限定力。当然，应当理解的是，致动器40或附加致动器可以被设置在另选或其它机器部件(例如，Z柱塞13)处，并且因此也可以为这些部件提供致动器相关阻尼功能。

CMM 2被示出为处于静止状态，使得随着该机器和支承腿12"处于期望位置而不出现振动效应或振荡。

图4b示出了在不通过致动器40施加力的情况下的测量处理上的CMM 2。如可以看出，支承腿12"(其通常以非沉重的方式设计，例如，根据轻型构造)相对于其原来的位置位移。这种位移可能由于相应机器部分的相对移动以及这些部分的相应加速度在系统中出现的振荡而发生。结果，支承腿12"(或像Z柱塞13的任何其它机器部件)包括不希望的弯曲，并且因此可能显著影响利用CMM 2的可能测量的准确度。

根据本发明，提供实际动态状态信息，所述实际动态状态信息描述支承腿12"的这种振荡和/或弯曲。动态状态信息可以从描述CMM 2或至少所述相应腿12"的动态模型及其因机器移动而造成的行为来收集，或者可以从还提供有关腿12"的振荡和/或弯曲的信息的基于传感器的测量来收集。可以在支承腿12"处(特别是，致动器40附近)设置相应传感器(未示出)。该传感器可以被设计为加速度计或另选振荡检测装置。

具有关于机器2或腿12"的动态状态的知识，导出相应控制信号，该控制信号适于以限定方式控制致动器40，即，控制致动器，使得生成或引起限定力，所述限定力导致腿12"的振荡的减少或消失。特别是，致动器40被控制成使得引起限定力(例如，相移振荡)，所述限定力抵消了腿12"的加速度引起的振荡。

通过致动器40的这种控制，支承腿12"被保持在其指定位置，而不包括任何显著的(即，特别地不利地影响超出限定要求的准确度)弯曲或振荡(如可以在图4a中看出)。结果，因为至少减少系统中的振动，所以利用CMM 2的测量的总体准确度显著增加。

特别是，致动器40被构造成提供所需量级的力以用于发生变形的相应反作用等。因此，致动器可以设置有一定质量，这允许抵消在CMM 2的相应位置处的振荡。

根据本发明的具体实施方式，致动器40包括或被设计为音圈。这种音圈是现有技术，并且使得能够在各种频率下产生精确受控振动，以消除干扰振动，特别是主动阻尼、中和或减少振动。

音圈的优点是高加速度、低移动质量、高可靠性、鲁棒设计以及广泛用途(例如，在“扬声器”领域)。

用作致动器40的另选主动元件是压电致动器或记忆金属元件和/或气动元件(pneumatic element)。

CMM 2的控制回路可以使用加速度传感器和动态模型进行本地闭合。因此，可以通过将音圈和加速度传感器集成到全局控制回路中以预测振动并考虑全局移动和加速度来提高性能。

然而，考虑阻尼功能，可以使用至少一个传感器，其中，另外提供了基于模型的方法。CMM2的现有传感器还可以被用于确定系统的实际状态。

图5示意性地示出了包括被设计成可相对于彼此移动的结构部件52、53的非线性机构51。结构部件中的一个53包括可相对于结构部件53移动附接的子结构54。

可以提供这种或另选非线性驱动机构的原理，以驱动坐标测量机或另选测量装置。因此，如下根据本发明的方法(还参见图6)可以相应地应用于这种类型的机器。

机构51的固有频率与机构51的姿态、热效应和/或老化相关。关于姿态，固有频率尤其取决于子结构54相对于结构部件53的位置。通过移动子结构54，第二结构部件53的质量分布(特别是质心)相应地变化。该部件53的固有频率也改变。换句话说，结构部件53的至少一个物理特性(质量分布或共振频率)随着子结构体54的位置变化而变化。

由于物理特性的这种变化，系统的共振也变化，所以必须相应地调节用于系统的驱动单元的控制信号的滤波，以便避免激发(共振)振荡。

如今，从现有技术已知具有调节为限定机器参数的限定滤波特性的陷波滤波器的使用。此外，还已知与相应滤波器调节组合的几个机器状态的(预先)限定和根据相应状态的滤波器的切换。然而，这导致在不同工作点处在滤波器之间切换期间的困难。

根据本发明，(特别是，连续地)观察至少相应结构元件53或机器的物理特性的变化和/或机器的实际状态的变化。在下一步骤中，基于所导出的物理特性的变化，确定元件53(或更多的机器部件)的振荡行为(频率响应)或这种行为的变化。这提供了结构部件53的连续更新状态，并因此提供部件53的固有(共振)频率或相应频率区域的持续且精确的识别。

使用关于结构部件53和/或其它机器部件的振荡行为(频率响应)的知识，提供用于控制机构51的驱动单元的特定滤波元件相对于要滤波的频率或频率范围动态地调节。通过调节相应滤波器参数姿态相关来提供滤波特性的这种调节。保持相同的状态值。因此，频率滤波元件被设计成，通过仅改变相应滤波器参数来提供其滤波特性的改变，而不需要提供机器状态的改变。

可以按每个采样周期或以一定的速率连续地更新滤波器参数。为此，与姿势的变化相比，提供了滤波器参数的更新速率，并且因此固有频率。

滤波器参数的更新可以通过以下方式的一种或组合来进行：

○根据结构部件53的姿态计算滤波频率和阻尼在线，计算对应滤波参数，并在下一步中使用新的滤波参数；

○将针对不同姿态的最佳滤波器频率和阻尼存储在表中，根据当前姿态内插滤波器频率和阻尼，并在下一步中使用新的滤波器参数；和/或

○将最佳滤波器参数存储在针对不同姿势的表中，根据当前姿势内插滤波器参数，并将其应用于下一计算步骤。

图6示出了用于控制根据本发明的测量装置的驱动单元的频率滤波的原理。将输入目标信号64提供给控制器60，控制器60被设计成导出用于控制驱动单元62或任何其他种类致动器的控制信号。另外，实现频率滤波器元件61，以提供限定频率或频率区域的滤波。这种滤波元件61可以被实现为低通滤波器/高通滤波器或超前/滞后滤波器或陷波滤波器或Kerr滤波器或它们的任何组合。

如图6所示，频率滤波器元件61被逻辑上定位在控制器60与驱动单元62之间，以用于对控制信号进行预滤波，以便避免激发特定频率(区域)。另选地，陷波滤波器可以被实现为控制器的子部分，或者可以被逻辑地布置在控制器60之前，以对信号进行预滤波(未示出)。

为了调节要滤波的频率，需要有关至少一个结构部件的实际状态(例如，振荡)的信息。这种信息可以基于驱动单元后面的输出信号65来导出，例如，通过测量位置变化和/或实际加速度和/或基于期望轨迹位置和/或轨迹加速度，该输出信号65被提供给动态模型63。另选地或者另外，可以通过使用来自滤波单元61的直接输出66和基于模型的估计计算来提供关于实际状态的估计。通过这样做，滤波单元61的输入67由模型63提供。

另选地，控制器60和模型63一起在公共控制元件(未示出)中实现，其中，用于调节滤波器参数和控制信号的输入由这种元件生成。

尽管上面例示了本发明，但部分参照一些具体实施方式，但必须理解，可以进行这些实施方式的不同特征的许多修改和组合，并且这些不同特征可以与建模、补偿或控制原理和/或从现有技术已知的坐标测量机组合。

Claims (43)

1.一种用于控制测量装置(1、2)的至少两个结构部件(11-15、52、53)的相对移动的方法，所述测量装置(1、2)包括用于至少提供所述两个结构部件(11-15、52、53)相对于彼此的移动性的驱动单元，所述方法包括以下步骤：

●借助于具有一组模型状态变量的动态模型提供所述两个结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的动态状态信息，所述模型状态变量

□与所述两个结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的一组物理特性相关，并且

□提供所述两个结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的实际状态的确定，

●提供用于控制所述驱动单元的基于模型的状态控制器(31)，所述基于模型的状态控制器(31)包括取决于所述实际状态的一组至少一个控制状态变量，

●通过至少基于所述动态模型的计算导出所述一组至少一个控制状态变量中的至少一个控制状态变量，

●基于所导出的至少一个控制状态变量，通过使用所述状态控制器(31)生成控制参数，所述控制参数适于提供驱动所述驱动单元，使得以限定方式影响所导出的至少一个控制状态变量和/或实际状态，以及

将所述控制参数应用于所述驱动单元，使得所述结构部件(11-15、52、53)相对于彼此以限定方式移动。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

●另外基于基于模型的估计或者基于测量和/或基于监视所述模型状态变量，来导出所述至少一个控制状态变量，和/或

●至少通过基于模型的估计或者测量和/或通过监视所述模型状态变量，来导出所述一组至少一个控制状态变量中的一特定控制状态变量，和/或

●通过基于所述动态模型的计算导出所述实际状态。

3.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述一组至少一个控制状态变量中的至少一个控制状态变量通过利用传感器测量对所述测量装置(1、2)的激发和/或影响和/或通过根据路径轨迹的计算来导出。

4.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

通过测量或估计所述物理特性中的至少一个物理特性并且由此导出至少一个对应实际控制状态变量，来导出所述两个结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的所述实际状态，

其中，

●至少一个结构部件的所述实际状态的变化由所述物理特性中的至少一个物理特性的变化而造成，和/或

●估计所述物理特性中的至少一个物理特性由一组观察器提供。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个结构部件的所述实际状态的变化由影响所述测量装置(1、2)的施加力而造成。

6.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个结构部件的所述实际状态的变化通过移动所述结构部件(11-15、52、53)而造成。

7.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个控制状态变量与所述实际状态对应。

8.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述状态控制器(31)包括观察器(32)，该观察器(32)提供所述至少一个控制状态变量的确定，其中，所述观察器(32)由卡尔曼滤波器提供。

9.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述动态模型和所述基于模型的状态控制器(31)按组合方式实现，其中，所述动态模型表示所述状态控制器(31)的实现部分。

10.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述测量装置(1、2)的实际偏转基于所述动态模型导出，其中，所述测量装置(1、2)的实际姿态基于所导出的偏转来校正。

11.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

●所述测量装置(1、2)的至少部分的实际速度和/或加速度基于所述动态模型导出，和/或

●所述测量装置(1、2)的指定点的实际位置基于所述动态模型导出，和/或

●测量误差基于所述动态模型被补偿。

12.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述测量装置(1、2)被具体实施为

●坐标测量机(1、2)，该坐标测量机(1、2)包括：

□基部(11)，

□探头(15)，

□机器结构，该机器结构用于将所述探头(15)链接至所述基部(11)，以及

□至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头(15)相对于所述基部(11)的移动性，所述驱动机构表示所述驱动单元，

其中，所述结构部件(11-15、52、53)被具体实施为所述基部、所述探头和/或所述机器结构，

或者

●大地测量仪器，所述大地测量仪器具有：

□支承结构，该支承结构被安装在所述测量仪器的基部上，使得所述支承结构能够绕由所述基部限定的第一轴枢转，

□电磁辐射源，该电磁辐射源用于生成测量束，

□指引单元，该指引单元用于指引所述测量束，所述指引单元被设置在所述支承结构处，以便提供所述指引单元绕由所述支承结构限定的第二轴的枢转性，所述第二轴垂直于所述第一轴，以及

□测量功能，该测量功能用于按预定方式提供所述测量束的指引和引导并相应地测量距离。

13.根据权利要求12所述的方法，

其特征在于，

所述大地测量仪器是激光扫描仪、激光跟踪器或全站仪。

14.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个模型状态变量限定所述测量装置(1、2)的至少部分的下列因素中的至少一个或组合和/或相应因素的变化：

●加速度，

●速度，

●位置，

●弯曲，

●变形，

●位移，

●取向，

●温度，

●湿度，

●扭矩，

●力，

●刚度，和/或

●质量。

15.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个控制状态变量的变化或者所述模型状态变量的变化通过下列物理特性中的至少一个物理特性和/或相应物理特性的变化导出：

●加速度，

●速度，

●位置，

●偏转，

●扭矩，和/或

●力。

16.根据权利要求15所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个控制状态变量的变化或者所述模型状态变量的变化通过所述物理特性中的至少一个物理特性的基于传感器的测量导出。

17.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

监视所述物理特性并提供所监视的物理特性，并且至少基于所述一组模型状态变量和所监视的物理特性来计算所述测量装置(1、2)的至少部分的实际状态。

18.一种具有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令用于当在坐标测量机(1、2)的控制和处理单元上运行时执行根据权利要求1至17中任一项所述的方法。

19.一种用于为坐标测量机(1、2)的至少部分提供主动阻尼功能的方法，该坐标测量机(1、2)包括：

●基部(11)，

●探头(15)，

●机器结构，该机器结构具有用于将所述探头(15)链接至所述基部(11)的结构部件(12-14、52、53)，以及

●至少一个驱动单元，所述至少一个驱动单元用于提供所述探头(15)相对于所述基部(11)的移动性，

同时

●提供坐标测量机(1、2)的至少部分的动态状态信息，

其特征在于，

●所述坐标测量机(1、2)包括用于施加限定力的可控致动器(40)，并且

●所述方法包括以下步骤：

□通过基于所述动态状态信息的确定导出所述坐标测量机(1、2)的至少所述部分的实际状态，

□基于所导出的实际状态确定控制参数，所述控制参数适于提供所述致动器(40)的控制，使得按限定方式影响所述实际状态，

□基于所述动态状态信息导出有关坐标测量机(1、2)的至少所述部分的实际振荡的振荡信息，

□基于所导出的振荡信息确定所述控制参数，以及

□基于所述控制参数，通过引入抵消所述实际振荡的限定力来由所述致动器(40)提供阻尼致动。

20.根据权利要求19所述的方法，

其特征在于，

所述致动器(40)被附接至所述结构部件(12-14、52、53)、所述探头(15)或所述基部(11)中的一个，其中，所述力能在相应部件处生成。

21.根据权利要求19或20所述的方法，

其特征在于，

借助于具有一组模型状态变量的动态模型和/或观察器提供坐标测量机(1、2)的至少所述部分的动态状态信息，所述模型状态变量

●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

●表示所述坐标测量机(1、2)的至少所述部分的实际状态。

22.根据权利要求21所述的方法，

其特征在于，

通过基于所述动态模型和/或所述观察器的计算导出所述坐标测量机(1、2)的至少所述部分的实际状态。

23.根据权利要求19所述的方法，

其特征在于，

借助于传感器单元的测量，提供坐标测量机(1、2)的至少部分的动态状态信息。

24.根据权利要求23所述的方法，

其特征在于，

所传感器单元被附接至所述结构部件(12-14、52、53)、所述探头(15)或所述基部(11)中的一个。

25.根据权利要求23所述的方法，

其特征在于，

所述传感器单元和所述致动器(40)被附接至所述坐标测量机(1、2)的同一部分，并且彼此靠近地被定位。

26.根据权利要求19所述的方法，

其特征在于，

使用有关所述探头的计划移动路径的信息来导出所述实际状态。

27.根据权利要求19所述的方法，

其特征在于，

向所述致动器(40)施加控制信号，所述控制信号基于所述控制参数导出。

28.根据权利要求19所述的方法，

其特征在于，

所述致动器(40)被设计为音圈、压电单元、记忆金属元件和/或气动元件。

29.一种坐标测量机(1、2)，该坐标测量机(1、2)包括：

●基部(11)，

●探头(15)，

●机器结构，该机器结构具有用于将所述探头链接至所述基部的结构部件(12-14、52、53)，

●至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头(15)相对于所述基部(11)的移动性，以及

●控制和处理单元，该控制和处理单元适于提供坐标测量机(1、2)的至少部分的动态状态信息，

其特征在于，

●所述坐标测量机(1、2)包括用于施加限定力的可控致动器(40)，并且

●所述控制和处理单元和/或所述坐标测量机(1、2)的所述致动器(40)适于执行根据权利要求19至28中任一项所述的方法。

30.一种具有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令用于当在根据权利要求29所述的坐标测量机(1、2)的控制和处理单元上运行时执行根据权利要求19至28中任一项所述的方法。

31.一种用于控制测量装置(1、2)的第一结构部件(11-15、52)和第二结构部件(11-15、53)的相对移动的方法，所述测量装置(1、2)包括用于提供所述第一结构部件和所述第二结构部件(11-15、52、53)相对于彼此的移动性的驱动单元，其中，所述方法包括以下步骤：

●通过向所述驱动单元施加控制信号来根据期望移动相对于彼此移动所述结构部件(11-15、52、53)，以及

●通过使用频率滤波器元件对涉及与所述结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的物理特性有关的已知频率响应的所述控制信号进行滤波，

其特征在于，

●至少所述第二结构部件(11-15、53)被设计成包括可变物理特性，所述可变物理特性取决于附接至所述第二结构部件(11-15、53)的可移动子结构的相对位置，并且

●所述频率滤波器元件(61)被设计成相对于可滤波频率范围是可调节的，

其中，

●通过计算和/或测量来连续监视所述第二结构部件(11-15、53)的可变物理特性，并且基于此，确定所述物理特性的变化，

●基于所确定的所述物理特性的变化导出所述结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的实际频率响应，其中，确定至少一个相关频率区域，

●所述可滤波频率范围根据所述至少一个相关频率区域被连续地调节，并且

●借助于具有一组模型状态变量的动态模型和/或观察器提供有关所述物理特性的信息，所述模型状态变量与所述测量装置(1、2)的至少部分的一组物理特性相关，并且表示所述测量装置(1、2)的至少所述部分的实际状态。

32.根据权利要求31所述的方法，

其特征在于，

所述频率滤波器元件(61)被设计为陷波滤波器、超前滤波器、滞后滤波器、双二次滤波器、低通滤波器，和/或高通滤波器。

33.根据权利要求31或32所述的方法，

其特征在于，

提供用于控制所述驱动单元的控制回路，其中，所述控制信号被提供为所述控制回路的输出信号。

34.根据权利要求33所述的方法，

其特征在于，

所述频率滤波器元件(61)

●在所述控制回路中被实现，和/或

●被设计为置于所述控制回路前面或后面的单独控制元件。

35.根据权利要求33所述的方法，

其特征在于，

所述频率滤波器元件(61)在所述控制回路中被实现，使得减少或避免与所述相关频率区域有关的振荡的激发。

36.根据权利要求31所述的方法，

其特征在于，

所述频率滤波器元件(61)相对于所述可滤波频率范围被设计和调节，使得在所述相关频率区域的限制内减少或避免所述结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的振荡的激发。

37.根据权利要求31所述的方法，

其特征在于，

通过改变分配给所述频率滤波器元件(61)的滤波器参数来提供所述频率范围的调节。

38.根据权利要求31所述的方法，

其特征在于，

基于以下内容导出所述实际频率响应和/或调节所述频率滤波器元件(61)：

●使用所确定的所述物理特性的变化或者使用从所确定的所述物理特性的变化导出的实际物理特性的计算，和/或

●提供所述实际频率响应与所述物理特性或所述实际物理特性的变化的相关性的查找表，和/或

●提供所述相关频率区域与所述物理特性或所述实际物理特性的变化的相关性的查找表。

39.根据权利要求31所述的方法，

其特征在于，

所述物理特性由下列物理特性组中的至少一个来表示：

●加速度，

●速度，

●姿态，

●偏转，

●扭矩，

●力，

●质量，

●质量分布，

●刚度，和/或

●刚度分布。

40.根据权利要求31所述的方法，

其特征在于，

所述测量装置(1、2)被具体实施为

●坐标测量机(1、2)，该坐标测量机(1、2)包括

□基部(11)，

□探头(15)，

□机器结构，该机器结构用于将所述探头(15)链接至所述基部(11)，以及

□至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头(15)相对于所述基部(11)的移动性，所述驱动机构表示所述驱动单元，

其中，所述第一结构部件和/或所述第二结构部件(11-15、52、53)被具体实施为所述基部、所述探头和/或所述机器结构，

或者

●大地测量仪器，所述大地测量仪器具有

□支承结构，该支承结构被安装在所述测量仪器的基部上，使得所述支承结构能够绕由所述基部限定的第一轴枢转，

□电磁辐射源，该电磁辐射源用于生成测量束，

□指引单元，该指引单元用于指引所述测量束，所述指引单元被设置在所述支承结构处，以便提供所述指引单元绕由所述支承结构限定的第二轴的枢转性，所述第二轴基本上垂直于所述第一轴，以及

□测量功能，该测量功能用于按预定方式提供所述测量束的指引和引导并相应地测量距离，

其中，所述第一结构部件和/或所述第二结构部件(11-15、52、53)被具体实施为所述基部、所述支承结构和/或所述指引单元。

41.一种坐标测量机(1、2)，该坐标测量机(1、2)包括：

●基部(11)，

●探头(15)，

●机器结构，该机器结构至少具有用于将所述探头链接至所述基部的第一结构部件和第二结构部件(11-15、52、53)，其中，所述基部(11)和/或所述探头(15)由所述结构部件(12-14、52、53)中的一个结构部件来表示，

●至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构用于提供所述探头(15)相对于所述基部(11)的移动性，

●频率滤波器元件(61)，以及

●控制和处理单元，该控制和处理单元适于

□通过向所述驱动单元施加控制信号来根据期望移动提供所述结构部件(11-15、52、53)相对于彼此的移动，以及

□通过使用所述频率滤波器元件(61)对涉及与所述结构部件(11-15、52、53)中的至少一个结构部件的物理特性有关的已知频率响应的所述控制信号进行滤波，

其特征在于，

●至少所述第二结构部件(11-15、52、53)提供可变物理特性，所述可变物理特性取决于附接至所述第二结构部件(11-15、52、53)的可移动子结构的相对位置，

●所述频率滤波器元件(61)被设计为能够相对于可滤波频率范围进行调谐，并且

●所述坐标测量机(1、2)的所述控制和处理单元适于执行根据权利要求31至40中的任一项所述的方法。

42.根据权利要求41所述的坐标测量机(1、2)，

其特征在于，

所述频率滤波器元件(61)由通过改变相应滤波器参数而具有可变可设置可滤波频率范围的陷波滤波器来表示。

43.一种具有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令用于当在根据权利要求41或42所述的坐标测量机(1、2)的控制和处理单元上运行时执行根据权利要求31至40中任一项所述的方法。

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