CN107532930A - 确定细分误差的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定编码器装置的细分误差的方法，该编码器装置被配置为测量其上安装有用于检查人造物的检查设备的装置的相对可移动部件的位置。该方法包括使得该检查设备获得包括相对移动该装置的相对可移动部件的测量结果，并且使用该测量结果来确定该编码器装置的细分误差。

Description

确定细分误差的方法
本发明涉及一种确定编码器装置的细分误差的方法和用于校正编码器装置细分误差的误差图。
装置(例如测量装置)通常具有相对可移动的部件，并且可能需要测量它们的相对位置。机器的相对可移动部件的确定位置中的误差可能对机器的精度产生重大影响。例如，坐标测量机(CMM)可以具有许多相对可移动的部件，并且可能需要跟踪其相对位置，使得可以确定安装在CMM上的检查设备的位置。作为具体示例，测量装置可以具有其上安装有检查设备(例如测量探头)的铰接头。该铰接头可以包括一个或多个旋转轴线，以便能够使检查设备能围绕该一个或多个轴线的取向改变。为了知道检查设备的位置和取向，测量该铰接头的相对可移动部件的相对位置可能是重要的。
本发明提供了一种用于确定编码器装置的误差的新方法，特别是确定编码器装置的细分误差(SDE)的方法。例如，本申请描述了一种通过分析由其中包含编码器装置的装置(例如，测量装置)获得的测量结果来确定编码器装置的SDE的方法，例如通过分析由装置对人造物进行检查期间获得的测量结果。
本发明还提供了用于校正编码器装置的细分误差的误差图。特别地，本发明提供了一种用于校正编码器装置的细分误差的误差函数。
根据本发明的特定第一方面，提供了一种确定编码器装置的细分误差的方法，该编码器装置被配置为测量其上可以安装有检查设备的装置的相对可移动部件的位置，该方法包括：使该装置获得包括相对移动该装置的相对可移动部件的测量结果；并使用测量结果来确定编码器装置的细分误差。
例如，本发明提供了一种确定编码器装置的细分误差的方法，该编码器装置被配置成测量其上可以安装有检查设备(例如用于检查人造物)的装置(例如，测量装置)的相对可移动部件的位置，该方法包括：使该装置检查特征，例如，(例如，人造物的)表面，包括相对移动该装置的相对可移动部分；并根据对该人造物进行检查期间获得的测量结果来确定编码器装置的细分误差。使用在特征的检查(例如测量)期间获得的测量结果，例如，(例如人造物的)表面可以是有益的，因为该特征可以提供参照。无论该特征是已知的还是未知的人造物，都可以这样。例如，假设特征的表面不包括在与预期SDE相同的频率处的系统变化(例如，在标尺(scale)或信号周期)，则可以假设任何这样的变化都是由于编码器装置的SDE。这可以避免使用诸如校准的激光干涉仪之类的外部系统作为参照。
因此，提供了一种确定编码器装置的细分误差的方法，该编码器装置被配置成测量其上可以安装有检查设备(例如用于检查人造物)的装置(例如，测量装置)的相对可移动部件的位置，该方法包括：使该装置(例如检查设备)得到(例如人造物的例如表面的例如特征的)测量结果，其包括相对移动该装置的相对可移动部分；并使用测量结果(例如在特征/表面的检查/测量期间获得的测量结果)来确定编码器装置的细分误差。
可选地，该方法可以包括仅从装置的测量结果确定编码器装置的细分误差。换言之，该方法可以包括从仅由该装置获得的测量结果确定编码器装置的细分误差。因此，该方法可以包括确定编码器装置的细分误差，而不需要将该装置获得的测量结果与该运动期间的次级测量设备获得的测量结果进行比较。因此，该方法不一定需要使用诸如干涉仪的外部校准设备来确定编码器装置的细分误差。相反，可以单独从装置的测量结果确定细分误差。因此，该方法可以被描述为用于确定编码器装置的细分误差的自校准技术。
应当理解，编码器装置可以包括标尺和一个或多个读取头，该读取头输出表示标尺相对于读取头的位置和/或运动的信号。标尺可以包括一系列特征，例如一系列通常周期性的特征。标尺可以具有特征的间距距离(或用于一些旋转系统的角度，例如标尺特征径向布置在其上的圆盘标尺)，但是读取头信号也可以用于在标尺间距间隔之间进行插值以产生具有比标尺间距高得多的分辨率的位置测量结果。存在一些情况，其中读取头产生空间周期信号，并且在一些实施例中，该读取头的信号周期具有比标尺周期更高的频率(更短的波长)。在这些情况下，仍然可以使用插值来产生具有比信号周期高得多的分辨率的位置测量结果。在任何情况下，插值可能不是完美的，例如由于读取头和标尺之间的未对准，导致重复每个标尺间距间隔的系统位置测量误差。这些被称为细分误差(SDE)。SDE也被称为“插值误差”("interpolation error")。在本文中，SDE和插值误差可以互换使用。
通常，通过编码器设计和编码器装置的正确和精确的设置，可以极大地减少SDE的数量。然而，即使仔细设计和安装/设置，SDE仍然可以存在至一定程度使得它在装置的测量中引起不期望的误差。因此，确定编码器装置的SDE是有利的。例如，如果发现SDE太大，则可以采取步骤来减少SDE。可选地，SDE可以被误差映射，使得可以使用误差图来减少编码器装置的SDE的影响。这可以导致由该装置获得的测量结果的精度的显著改进。
因此，该方法可以包括基于在特征/表面的检查/测量期间获得的测量结果(例如基于特征/表面的测量结果)来确定用于校正编码器装置的细分误差的至少一个误差图。误差图可以被配置为用于校正编码器装置的输出。因此，误差图可以被配置为使得其可以用于校正所确定的编码器装置的标尺和读取头的相对位置。因此，在编码器装置是旋转编码器装置(也称为角度编码器装置)的实施例中，误差图可以被配置为使得其可以用于校正确定的标尺和读取头的角度取向/位置。因此，在编码器装置被配置为测量装置的相对可移动部件的相对位置(例如相对旋转位置)的实施例中，(例如，铰接头的角度定向，例如安装在铰接头上的检查设备的角度定向)，那么可以配置误差图，使得其可以用于校正所确定的该装置的相对可移动部件的相对位置。
该至少一个误差图可以包括查找表或函数。误差图可以用于确定(例如，它可以描述)SDE的形式(例如，由插值引起的误差的形式)。因此，换言之，误差图可以描述编码器装置SDE的形状、波形、特征(signature)或分布(profile)。因此，误差图可以包括描述SDE的形式的函数。例如，该函数可以包括三角函数，例如傅立叶级数。可选地，该函数包括多项式函数。
如以下更详细的说明，对于沿着编码器装置的测量范围的每个标尺(或信号)周期，SDE可以被假设或确定为相同，或者SDE可以沿着编码器装置的测量范围而变化。因此，如以下更详细的说明，该装置可以被配置为取决于标尺和读取头的相对位置差异性地校正SDE。
例如，误差图可以被配置为使得其对SDE的形式的描述沿着编码器装置的测量范围而变化。因此，可选地，误差图可以考虑沿着编码器装置的测量范围的SDE中的变动(例如变化)。因此，例如，不是假设SDE沿着编码器装置的测量范围具有相同的形式(例如，在线性编码器的情况下，沿其长度的至少一部分；或者在旋转编码器的情况下，通过旋转的至少一部分)，而是误差图可以被配置为使得取决于编码器装置正在测量的部件的相对位置差异性地校正细分误差。也就是说，不是误差图被配置为使得在编码器装置的整个范围内以相同的方式校正细分误差，而是误差图可以被配置为取决于标尺和读数头的相对位置而改变在整个编码器装置的范围内校正细分误差的方式。换言之，细分误差图可以是取决于位置的。因此，如将要理解的那样，如果需要，不是具有单一误差图(例如，单一查找表)，而是为编码器装置的范围的不同区段提供不同的误差图(例如，不同的查找表)。可选地，误差图可以被配置为针对标尺的不同部分差异性地校正细分误差。每个区段可以包括至少一个标尺周期，可选地多个标尺周期。换言之，可以针对标尺的不同区段定制细分误差图(或误差图)。可选地，在误差图包括函数的情况下，可选地，用于校正SDE的函数包括至少一个本身取决于标尺和读取头的相对位置(例如，其函数)的系数。因此，误差图可以描述沿着编码器装置的测量范围的SDE中的变动(例如变化)。
因此，该方法可以包括确定编码器装置的测量范围的不同区域的细分误差。因此，该方法可以包括对于所述不同区域中的每一个，确定在至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的形式(例如，至少一种属性，例如多种属性)。
可以配置误差图，使得其可以用于将编码器装置的SDE确定至比周期信号的周期更精细的分辨率。可选地，误差图具有比标尺周期更精细的分辨率。换言之，误差图可以用于将SDE的形式确定(例如，可以描述)至比标尺周期更精细的程度。读取头可响应于读取头和标尺的相对运动而产生周期性(换言之是循环的)信号(例如空间周期性信号)。因此，可以配置误差图，使得其可以用于将编码器装置的SDE确定至比周期信号的周期更精细的分辨率。换言之，误差图可以用于将SDE的形式确定(例如，可以描述)至比周期信号的周期更精细的程度。例如，在增量编码器的情况下，信号的(空间)周期可以与标尺特征的(空间)周期相同。然而，取决于编码器装置，并非一定是这种情况。例如，信号的周期可以是标尺特征周期的一半。
该方法可以包括基于在至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的形式来确定编码器装置的SDE。该方法可以包括基于至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的(例如至少一种属性，例如多种属性的)形式来确定编码器装置的SDE。换言之，该方法可以包括确定在至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的属性。该至少一种属性可以描述在该至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化。该至少一种属性可以包括在该至少一个预定空间频率处的该变化的幅度。该至少一种属性可以包括在该至少一个预定空间频率处的该变化的相位偏移。应当理解，幅度和/或相位偏移可以由正弦和余弦函数的组合的幅度(例如，不直接参考相位偏移)来表示。误差图可以基于该确定的形式/属性。
可选地，该方法包括假定来自预期测量结果的任何变化都归因于编码器装置的SDE。因此，可以使用测量结果来确定基于这种变化的误差图。
该至少一个预定空间频率可以对应于(例如包括)编码器装置的标尺周期。该至少一个预定空间频率可以对应于(例如包括)信号周期，例如，编码器装置的信号周期。应当理解，在一些编码器中，信号周期可以比标尺周期短，例如，信号周期可以是标尺周期的一半。
可选地，该至少一个预定空间频率对应于(例如，包括)标尺或信号周期的至少一个谐波。例如，该至少一个预定空间频率也可以对应于(例如，包括)至少该标尺或信号周期的二次谐波。
该编码器装置可以是线性编码器装置。该编码器装置可以是旋转编码器装置。例如，该编码器装置可以包括盘编码器装置(其中标尺标记可以径向地设置在盘表面上)或环形编码器装置(其中标尺标记可以设置在环的圆周面/边缘上)。
该装置可以包括至少一根旋转轴线。例如，该装置可以包括铰接头。该铰接头可以包括至少一根旋转轴线，例如检测设备可围绕其取向。该编码器装置可以包括用于测量旋转轴线的旋转位置的旋转编码器装置(例如，用于测量检查设备围绕该旋转轴线的取向)。该铰接头可以是铰接式探头头部。特别地，该铰接头可以是常言的连续头部(例如与分度头(indexed head)相对)，通常也称为扫描头。铰接头可以包括一个或多个电机，用于实现围绕该一个或多个轴线旋转。
因此，该铰接头可以包括旋转编码器装置。该铰接头可以包括第一构件和第二构件，该第二构件被安装成围绕第一轴线相对于该第一构件旋转。该铰接头还可包括第三构件，该第三构件被安装成围绕第二轴线相对于该第二构件旋转。该第一和第二轴线可以彼此不平行，例如彼此垂直。该铰接头可以被配置成使得设备，例如检查设备可以安装在第三构件上。该第二和第三构件可以提供设备(例如检查设备)围绕第一和第二轴线的旋转运动。该旋转编码器装置可以在第一和第二构件之间作用以测量它们围绕第一轴线的角位置(例如，使得可以测量设备(例如检查设备)围绕第一轴线的角位置)。该旋转编码器装置可以在第二和第三构件之间作用以测量它们围绕第二轴线的角位置(例如，使得可以测量设备(例如检查设备)围绕第二轴线的角位置)。该第一构件可以被配置为安装到可以在至少一个线性维度(例如至少两个垂直的线性维度，例如三个相互垂直的线性维度)中移动的装置的一部分。例如，第一部件可以被配置为安装到常言的套管轴(例如CMM的套管轴)上。
可选地，设置第一旋转编码器装置在第一和第二构件之间起作用以测量它们围绕第一轴线的角位置，并且设置第二旋转编码器装置在第二和第三构件之间起作用以测量它们围绕第二轴线的角位置。在检查设备安装在铰接头上的实施例中，可以设置第一旋转编码器装置在第一和第二构件之间起作用以测量检查设备围绕第一轴线的角位置，并且可以设置第二旋转编码器装置在第二和第三构件之间起作用以测量检查设备围绕第二轴线的角位置。至少可以确定用于第一旋转编码器装置的SDE。至少可以确定用于第二旋转编码器装置的SDE。可以确定至少第一误差图以校正第一旋转编码器装置的细分误差。可以确定至少第二误差图以校正第二旋转编码器装置的细分误差。
应当理解，检查设备可以用于检查人造物，例如，特征，例如人造物的表面。例如，检查设备可以是表面感测设备，例如用于检测和测量表面的位置。例如，该检查设备可以是接触式测量探头或非接触式测量探头。接触式探头可以包括触针。该接触式探头可以包括触针轴和触针尖端。该触针轴可以使触针尖端远离接触式探头的主体。接触式探头的主体可以被配置为连接到装置(例如铰接式探头头部)。检查设备可以是触发式探头。检查设备可以是模拟测量探头，例如模拟接触式测量探头。应当理解，模拟接触式探头可以提供探头的触针相对于探头体的偏转程度的测量。该测量结果可以与特征(例如人造物表面的特征)的位置的测量结果有关。例如，在具有触针尖端的接触式探头的情况下，测量结果可以与触针尖端位置测量结果有关。
该装置可以包括制造装置，例如拾放机器等。该装置可以包括铰接臂，诸如机器人臂。该装置可以包括测量装置。该装置可以是坐标定位机。例如，该装置可以包括机床或坐标测量机(CMM)。
合适的编码器装置包括磁性、光学(包括透射和反射版本，以及衍射和非衍射版本)、电感和电容编码器装置。合适的编码器装置包括增量和绝对编码器装置。合适的编码器装置包括封闭的(也称为密封的)编码器装置和开放的(也称为暴露的)编码器装置。
该编码器装置可以包括增量编码器装置。该编码器装置可以包括绝对编码器装置。该编码器装置可以包括组合的增量和绝对编码器装置。
如将会理解的，编码器装置的标尺可以包括一系列特征，例如一批特征，可以由读取头读取。该一系列/一批特征可以在一维或二维中延伸(因此，编码器装置可以是一维或二维编码器装置)。该特征可以采用线条、点或其他形状的形式。该标尺可以包括一系列基本周期性排列的特征。标尺特征的周期(也称为间距)可以不超过2mm，例如不超过1mm，例如不超过500μm(微米)，可选地不超过100μm(微米)，例如不超过50μm(微米)，并且可选地不超过40μm(微米)。
可选地，该编码器装置包括基于衍射的光学编码器。因此，标尺可以被配置为衍射光(例如，来自读取头中的光源)，以便形成检测器处的结果信号(例如干涉条纹或调制点)，其随标尺和读取头的相对运动而变化。应当理解，光可以包括具有在红外到紫外区域的任何位置的波长的电磁辐射(EMR)。
可选地，该编码器装置(例如，读取头，例如读取头中的检测器)被配置为产生响应于标尺和读取头的相对运动而变化的正交信号(例如，模拟正交信号，例如SINE和COSINE信号)。该编码器装置可以被配置为插值该正交信号。该编码器装置的SDE可以与该正交信号的该插值有关。然而，如所理解的那样，这并非必须的。例如，本发明也可以与不产生这种正交信号的编码器装置一起使用。本发明还可以与不会响应于标尺和读取头的相对移动而产生周期性信号的编码器装置一起使用。例如，本发明可以与基于光学图像的编码器系统一起使用。本发明可以与基于快照(例如基于光学图像)的编码器系统一起使用，其根据需要获得标尺的快照，并且可以从其确定标尺和读取头的相对位置。例如，本发明可以应用于校正在WO2010/139964中描述的绝对编码器中的精细间距(pitch)位置信息的确定，该绝对编码器被配置为获得绝对标尺的光学图像。
该测量结果可以包括在特征/表面的检查期间获得的测量结果。该测量结果可能与特征/表面的测量结果有关。该测量结果可以包括编码器装置的输出。该测量结果可以与(例如在检查人造物期间)装置的相对可移动部件的相对位置和/或取向有关。该测量结果可以包括对装置运动(例如测量)容积内的任何表面的测量结果。该测量结果可以与位于装置运动(例如测量)容积内的人造物(例如，校准人造物)的测量结果有关。应当理解，特征/表面/人造物可以是装置本身的一部分(例如，装置的工作台的表面，例如工件台)或是经设置以便位于装置运动(例如测量)容积内的可移动物体。应当理解，该表面并非一定是人造物的外表面。例如，该表面可以包括人造物的内表面。而且，应当理解，该特征不一定是独特的特征。例如，该特征可以包括在平坦的平面表面上的点或线。
应当理解，表面的测量结果可以包括垂直于表面的测量结果。例如，在接触式探头的情况下，测量结果可以是垂直于表面的尖端位置的测量结果。该方法可以包括将位置测量结果(例如表面测量结果、尖端测量结果)与标尺测量结果(例如角度测量结果)相关联。可选地，测量结果包括装置的一部分的确定的位置。可选地，测量结果包括装置的一部分的确定的取向。可选地，测量结果包括安装在装置上的检查设备的确定的角位置和/或取向。
该方法可以包括确定与测量结果相关联的误差，并根据该误差(例如，基于该误差中的变化)确定SDE。
该探头可以是被动探头。该探头可以是刚性接触式探头。可选地，该装置(例如铰接头)可以被配置成使探头(例如，刚性探头)抵靠表面而偏置并沿着表面拖动它，同时调整/移动以跟随表面中的偏差。例如，该装置可以被伺服，以便保持探头以恒定的力抵靠表面而偏置。例如，该装置(例如铰接头)可以在恒定扭矩模式中操作。
可选地，该方法包括获得特征，例如具有已知形状的表面的测量结果。例如，该方法包括获得球形，例如球体的测量结果。该方法可以包括获得围绕球体，例如绕其赤道线的测量结果。
可选地，该方法可以包括围绕(例如铰接头的)旋转轴线相对旋转检查设备和正被测量的特征/表面，以便在探头和人造物的表面(例如球的表面)之间维持名义上恒定的相对取向。这可以使得当探头沿着特征/表面移动(例如围绕球体)时，探头在相对于自身的基本相同的方向上测量。例如，在接触式探头的情况下，这可以使得在获得测量结果期间，表面法线和触针长度之间的相对取向基本上是恒定的(例如基本上垂直的)。
该方法可以进一步包括测量人造物并使用确定的细分误差(例如，使用误差图)来校正编码器装置的细分误差。例如，该方法可以包括校正编码器装置的输出。该方法可以包括使用校正的输出来确定人造物(例如，人造物的表面的位置)的测量。应当理解，这可以包括使用校正的输出来确定探头的表面感测区域的位置。
应当理解，误差图可以存储在任何适当的地方。例如，该误差图可以存储在永久或暂时的存储设备中。该误差图可以存储在本地或远离装置。例如，误差图可以存储在位于测量装置的一部分内的存储器中(例如，在铰接头内)。可选地，误差图存储在计算机中，例如，与该装置相关联的控制器。
根据本发明的第二方面，提供了一种确定包括标尺和读取头的编码器装置的细分误差的方法，该方法包括：相对于彼此移动标尺和读取头并获得测量结果；并基于在至少一个预定空间频率处的该测量结果中的(例如，可识别的)周期性变化来确定编码器装置的细分误差。例如，根据本发明的第三方面，提供了一种生成用于校正包括标尺和读取头的编码器装置的输出中的细分误差的误差图的方法，该方法包括：相对于彼此移动标尺和读取头并获得测量结果；并生成误差图，用于基于在至少一个预定空间频率处的该测量结果中的(例如，可识别的)周期性变化来校正编码器装置的细分误差。这可以通过安装在装置(例如测量装置)中的编码器装置来完成。根据本发明的第四方面，提供了一种生成用于校正编码器装置的输出中的细分误差的误差图的方法，该编码器装置被配置为监视装置的相对可移动部分的位置，该方法包括：使该装置的相对可移动部分相对于彼此移动并获得测量结果；并生成误差图，用于基于在至少一个预定空间频率处的该测量结果中的(例如，可识别的)周期性变化来校正编码器装置的细分误差。
因此，可选地，本发明依赖于以下假设：在至少一个预定的空间频率处的测量结果中的变化是由编码器装置的SDE引起的，并且将确定的SDE和可选地任何误差图建立在这样的假设上。
可以基于在至少一个预定空间频率处的该测量结果中的周期性变化的形式(例如属性)来生成误差图。换言之，该方法可以包括识别在该至少一个预定的空间频率的测量结果中的周期性变化中的特性。例如，该方法可以包括识别在该至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的形式。例如，该方法可以包括识别在该至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的至少一种属性(例如多种属性)。至少一种属性(例如多种属性)可以描述在该至少一个预定空间频率处的周期性变化。
该测量结果可以包括在这种相对运动期间获得的特征，例如，(例如，人造物的)表面的测量结果。例如，该测量结果可以包括人造物表面的位置的测量结果。例如，根据上下文给出的示例性实施方式，该测量结果可以与在该相对运动期间(例如，接触式探头的)触针尖端的位置有关(例如，可以包括确定的位置)。
可选地，该测量结果包括编码器装置在该相对运动期间的输出。因此，该方法可以包括在该相对运动期间确定编码器装置的输出中(例如，在读取头的输出中)的周期性变化的至少一个属性(例如多种属性)。该编码器装置的输出可以包括来自读取头中的标尺检测器的输出，或者是已处理的或者是未处理的。例如，该编码器装置的输出可以包括读取头的输出。可选地，编码器装置包括来自与读取头相关联的插值器的输出。可选地，编码器装置的输出包括基于标尺读数的标尺和读取头的位置测量。可以根据时间获得(例如记录)测量结果。
可选地，该测量结果可以与在该运动期间含有该编码器装置的装置(例如，测量装置)的相对可移动部分的确定的相对位置和/或取向有关。
该方法可以包括生成至少一个误差图，使得其对于编码器装置范围的不同区域是不同的，以便适应在其整个范围内编码器装置的细分误差的差异。因此，对于编码器装置的范围的不同区域，该至少一个误差图可以是不同的。
该预定频率可以包括读取头信号周期或标尺周期，及可选地其谐波。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机实现方法，包括接收通过其中含有编码器装置的装置(例如测量装置)获得的测量结果，该测量结果来自该编码器装置的输出，并且根据该测量结果确定编码器装置的细分误差。该测量结果可以包括特征的表面的测量结果。可以通过检查设备获得测量结果。该检查设备可以是表面感测装置，例如，用于检测和测量表面的位置。例如，检查设备可以是接触式测量探头或非接触式测量探头。
应当理解，该方法可以通过定制的专用电子设备(例如FPGA)来实现，或者例如可以通过在通用处理器上运行的软件来实现。
应当理解，上述方法可以是计算机实现方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机实现方法，包括生成误差图，用于基于在至少一个预定空间频率处的测量结果中的周期性变化的属性来校正编码器装置的细分误差。因此，该方法可以包括接收测量结果，分析该测量结果以确定其中在至少一个预定频率处的任何周期性变化，以及基于任何这样的周期性变化(的例如，形式或者至少一种属性，例如多种属性)生成误差图。
根据本发明的另一方面，提供了包括指令的计算机程序代码，当由计算机执行时，其使得计算机执行上述方法中的任何一种。
根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机可读介质，其承载如上所述的计算机程序代码。
还再根据本发明，提供了一种编码器装置，其包括标尺和用于检测该标尺的读取头，其中提供了至少一种描述编码器装置的细分误差的形式(例如，编码器装置的细分误差的形式)的误差函数。
该细分误差的描述可以沿编码器装置的测量范围变化。可选地，该函数包括至少一项系数，其自身取决于标尺和读取头的相对位置(的例如，函数)。
根据本发明还提供了一种包括如上所述的编码器装置的装置(例如，测量装置)。
该装置(例如测量装置)可以用于检查人造物，并且至少一个编码器装置可被配置为用于确定安装在装置上的检查设备的位置。
应当理解，上述与本发明的上述方面中的任何一个相关的特征也适用于本发明的其它方面。
现在将参考以下附图并仅通过举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1示出了包括铰接头的CMM，其上安装有用于测量工件的检查设备；
图2示出了图1所示的铰接头的横截面视图；
图3示意性地示出了适于在图2的铰接头中使用的旋转编码器装置的示例标尺和读取头；
图4示意性地示出了图3的标尺和读取头的光学方案；
图5示意性地示出了图3和图4的编码器装置的细分误差；
图6a示意性地示出了用于获得可以根据其确定旋转编码器装置的细分误差的测量结果的示例性方法；
图6b示意性地示出了用于获得可以根据其确定旋转编码器装置的细分误差的测量结果的另一示例性方法；
图7是通过图6a或图6b所示方法获得的一些测量结果的图；
图8示意性地示出了用于获得可以根据其确定旋转编码器装置的细分误差的测量结果的另一示例性方法；
图9和图10示意性地示出了用于获得可以根据其确定旋转编码器装置的细分误差的测量结果的又一示例性方法；
图11包括多幅图，其说明了描述旋转编码器装置的细分误差的函数的系数在整个旋转编码器装置的测量范围内如何变化。
图12示出了示例性细分误差图，并且示出了编码器装置的细分误差的形式在整个编码器装置的测量范围内如何变化。
图1示出了安装在坐标测量机(CMM)14上的电动铰接扫描(连续)头16。待测量的工件10放置在CMM 14的台12上，并且电动扫描头16安装在CMM 14的套管轴18上。套管轴18可以以已知的方式通过电机相对于台在X、Y、Z的方向上驱动。
如图2所示，电动扫描头16包括由基座或壳体20形成的固定部分，其支撑着形式为轴22的可移动部分，该可移动部分通过电机M1相对于壳体20围绕第一轴线A1可旋转。轴22被固定到另一壳体24，其又支撑轴26，该轴26通过电机M2相对于壳体24围绕垂直于第一轴线A1的第二轴线A2可旋转。
带有触针29(该触针29具有工件接触尖端30)的探头28安装在电动扫描头16上。该布置使得头部的电机M1、M2可以使工件接触尖端30成角度地围绕轴线A1或A2而定位，以及CMM 14的电机可以将电动扫描头线性地定位在CMM的三维坐标框架内的任何地方。可以控制这些运动的任何组合，以使触针尖端30与正被扫描的表面成预定的关系。
线性编码器(也称为线性位置传感器)(未示出)设置在CMM上用于测量扫描头的线性位移以及角度/旋转编码器(也称为角度位置传感器)E1和E2设置在扫描头中，用于测量触针围绕相应的轴线A1和A2的角位移。
在该实施方式中，探头具有可偏转的触针29，并且探头中的传感器测量触针偏转的量。应当理解，可以使用其它类型的探头。例如，可以使用指示接触已经发生(而不是提供偏转程度的度量)的触发式探头。可以使用刚性探头。例如，当铰接头沿着表面移动时，铰接头可以被操作以使刚性探头抵靠表面而偏置(例如，以恒定扭矩模式)。可选地，可以使用非接触式探头来代替接触式探头或除了接触式探头之外还使用非接触式探头。该探头可以是一维的(例如感测与表面相差的距离的非接触式探头)，二维(例如，感测X和Y中的偏转的接触式探头)或三维(例如，感测X、Y和Z中的偏转的接触式探头)。
在所描述的实施方式中，扫描头16的Al轴线名义上平行于CMM Z轴(沿着套管轴18)。扫描头可以围绕该轴线连续旋转探头。扫描头的A2轴线与其Al轴线正交。
当测量部件时，重要的是了解关于探头围绕第一A1轴线和第二A2轴线定位的精确角度。应当理解，由于被测量点偏离了测量角度的源(即在这种情况下，触针尖端位置偏离头部中的角度编码器)，所确定的角位置中的任何误差由于偏移距离而被放大。换言之，确定的位置中的任何误差的大小都远离源而增加。因此，重要的是确保角度编码器E1和E2的输出包含尽可能小的误差。
现在将参考图3至图5提供适用于图1和图2的铰接头中的示例性角度编码器的更详细的描述。如图3所示，编码器装置可以包括盘40，围绕其在盘的平面上的周边，盘40具有由一系列交替反光和非反射线44组成的增量标尺42。线44径向延伸并且彼此沿圆周间隔开。在所描述的实施方式中，标尺42是幅度标尺，但是应当理解的是，可以替代性地提供相位标尺结构。在该实施方式中，一对读取头50临近标尺而定位。读取头50被设置成可围绕中心轴承38相对于增量标尺盘42旋转。在该实施方式中，编码器装置被设置成使得标尺40随着铰接头的轴线的旋转运动而旋转，但是将被理解的是它可以被设置成相反方式使得读取头随着铰接头的轴线的旋转运动而旋转。应当理解，仅需要单个读取头50，但是具有两个或更多个读取头可以是有用的，例如，用于消除由于标尺和/或读取头的旋转运动中的任何偏心引起的误差。
参考图4，更详细地示出了参考图3描述的装置的读取头50。读取头50包括光源52、指标光栅(index grating)54、增量检测器56和参考标记检测器58。概括来说，从光源52发射的光被增量标尺42反射和衍射。反射光、衍射光与进一步衍射光的指标光栅54相互作用，其进行干扰从而在检测器56处形成干涉条纹，检测器56随着盘40和读取头50的相对运动而移动。检测器56检测干涉条纹并响应以提供输出信号。应当理解，读取头可以产生常言的模拟正交信号(例如，SIN和COS信号)，其可用于检测和报告盘40和读取头50的相对位置和运动。
应当理解，盘40可以具有限定一个或多个参考位置的一个或多个参考标记48。在所描述的实施方式中，参考标记48被放置成与增量标尺42相邻，并且如图4示意性地示出的，位于读取头50的光源52的覆盖区(footprint)内。在所描述和示出的实施方式中，参考标记48被配置为减少在读取头50中朝向参考标记检测器58反射回的光量(但是可以被不同地配置，例如增加朝向参考标记检测器反射回的光量和/或提供朝向参考标记检测器反射回的光的图案中的变化)。编码器装置被配置为检测并报告在参考标记检测器58处的变化，以信号告知读取头50和标尺40处于参考位置。这种类型的编码器是众所周知的，并且例如在WO2015/049174中更详细地描述，其细节通过该参考并入本文。
应当理解，本发明也可应用于其它类型的编码器，包括其他类型的增量光学编码器(包括例如不依赖于光的衍射和干扰的那些编码器)，以及非光学编码器(例如磁性、电容、感应编码器)、线性编码器和绝对编码器。
众所周知，由读取头和/或其检测器报告的信号可被插值以产生具有比标尺特征的间距(也称为“周期”)高得多的分辨率的位置测量结果。有些情况下，读取头的信号周期比标尺周期具有更高的频率(较短的波长)，在这种情况下，仍然可以使用插值来产生具有比信号周期高得多的分辨率的位置测量结果。在任何情况下，插值可能不是完美的，例如由于读取头和标尺的不对准，导致了重复每个标尺间距和/或信号周期间隔的系统误差，例如图5中示意性所示。如图所示，误差在标尺/信号周期内不是恒定的，而是在标尺/信号周期内变化(循环性/周期性/重复性)。这些被称为细分误差(SDE)。SDE也被称为“插值误差”。在本文中，术语SDE和插值误差可以互换使用，意思相同。
例如，按照上述实施方式的旋转编码器，每转N个标尺/信号周期间隔，任何SDE的形式可以由函数来表示，例如通过一系列谐波函数：
其中E(A)是作为轴线位置A(例如以弧度表示)的函数的编码器误差(例如以弧度表示)，asi和aci是谐波分量的幅度，n是最大谐波次数。
在所描述的实施方式中，已经发现第一阶和第二阶足以表示编码器装置的SDE。因此，SDE可以由以下描述：
E(A)＝as1sin(NA)+ac1cos(NA)+as2sin(2NA)+ac2cos(2NA) (2)
因此，一旦发现谐波分量as1、ac1、as2、ac2的振幅，该函数描述SDE。然后可以创建误差图。例如，误差图可以包括误差函数。例如，每当需要来自编码器装置的位置时，可以应用该函数来计算误差。可选地，误差图可以采用不同的形式，并且例如可以从该函数获得。例如，可以从该函数生成查找表。应当理解，取决于所使用的特定编码器，可以使用更多或更少的阶数(order)来充分描述SDE。
下面描述用于确定编码器装置的SDE的两种新方法。
参考图6a，测量上述铰接头16的旋转轴线的SDE的第一种方法包括测量平面表面，其被定位成其表面法线垂直于要被测量SDE的旋转轴线(尽管将被理解，但这并非一定是这种情况)。可以首先测量平面的表面法线，然后可以在从尖端位置T1到位置T2的平面上进行线性扫描，其中头部轴线位置从扫描开始时的角度a1变化到扫描结束时的角度a2。图6a示出了平行于CMM z轴(即轴线A1)的旋转轴线的示例性运动。
图6b示出了该方法的略微变化，其避免了CMM沿着其中正获得测量结果的轴线(例如在这种情况下沿着CMM的y轴)的任何线性移动。这有助于确保任何识别的SDE仅仅是由于旋转编码器而不是由于y轴的线性编码器引起的任何SDE。
如上所述，由SDE引起的角度误差可以被建模为：
E(A)＝as1sin(NA)+ac1cos(NA)+as2sin(2NA)+ac2cos(2NA) (3)
该角度误差会导致沿平面表面法线的尖端位置测量误差“d(A)”：
d(A)＝L sin(P)E(A) (4)
其中P是探头和平面表面法线之间的角度(例如以弧度表示)，以及L是探头长度(从旋转轴线到探头尖端)(例如，以mm为单位)。这展开为：
d(A)＝L sin(P)[as1sin(NA)+ac1cos(NA)+as2sin(2NA)+
ac2cos(2NA)] (5)
沿着平面的高分辨率线性扫描产生一组轴角A和距离测量结果d。可以使用该数据的最佳拟合(例如线性最佳拟合)来确定谐波系数as1、ac1、as2和ac2。应当理解，可以以不同的方式分析测量数据以确定系数，例如，通过对数据集执行傅里叶分析(例如，快速傅里叶变换)来确定在预定频率处的系数的值。尽管存在影响距离测量结果的许多其他误差源，但SDE可以可靠地提取，因为它具有非常特定的空间频率(由编码器标尺间距确定)，并且任何其他影响不太可能在这个频率上有系统地贡献。
应当理解，在替代实施例中，距离测量结果d可以在执行最佳拟合之前转换为编码器角度。
图7中示出了具有标尺间距为0.037度的角度编码器的示例数据集。
使用平面人造物的缺点是只能在单次扫描中测量旋转编码器的受限范围。要测量编码器的全范围，可以使用球形人造物。在球形人造物的情况下，可以围绕球体(例如沿着球体的赤道线)执行扫描，同时始终保持在探头和球体之间的接触点处探头垂直于表面法线，如图8所示。
现在可以通过检查任何给定点的半径测量误差来确定测量系统中的错误。由于探头和表面法线之间的角度始终为90度，所以现在可以去除用于平面测量的sin(P)项，得到SDE误差的模型：
r(A)＝L[as1sin(NA)+ac1cos(NA)+as2sin(2NA)+ac2cos(2NA)] (6)
其中r(A)是在球形人造物上被测量的探头尖端的半径误差。如前所述，可以使用该数据的线性拟合来确定谐波系数as1、ac1、as2和ac2。
对于垂直于CMM z轴(例如A2轴线)的旋转轴线，由于球体安装杆阻塞探头，可能无法围绕球体一直进行扫描。为了测量轴线的全范围，可以组合来自两个单独扫描的数据，如图9和图10所示。
由于任何SDE的形式都可能受到读取头相对于标尺的对准的影响，所以SDE可能贯穿轴线的整个范围不一样，因为读取头的对准可能随轴线位置而变化。考虑到这种影响，谐波系数as1、ac1、as2和ac2可以成为轴线位置的函数。
例如，在通过扫描球体的赤道来收集数据之后，不是一次分析全部数据，而是可以基于轴线位置将数据分割成小部分，并且可以分别分析这些数据，以产生仅对该位置范围有效的一组谐波系数。例如，分析在轴线位置0和5度之间捕获的数据以给出一组系数，然后分析5和10度之间的数据以给出另一组系数，依此类推。然后可以将系数的变化绘制为轴线位置的函数，其示例如图11所示。
系数的变化也可以使用谐波函数进行参数化。在当前描述的实施方式中，多达并包括第5阶可以足以对沿着标尺的系数变化进行建模，因此例如以下等式可以足以用于对SDE中的变化进行建模：
这意味着每个“a”系数的变化由11个参数建模，从而总共需要44个参数来表征一个轴线的SDE。
应当理解，误差图可以存储在适当的地方，例如，在与装置相关联的存储器中。
应当理解，尽管上述误差图包括谐波串联函数，但这不一定是这种情况。例如，SDE不是由谐波序列表示，而是可以由多项式函数表示。因此，误差图可以包括多项式函数。此外，应当理解，误差图可以包括查找表，而不是描述SDE的函数。在查找表的情况下，查找表可以具有与所需分辨率匹配的密度(例如，对于每个可能的插值位置可以存在单个数据条目)，或者可能具有稀疏的密度，在这种情况下可能需要表中的条目之间的插值。如将会理解的，存在可以实现和使用查找表的各种方式。例如，可以提供一个查找表来映射编码器装置的整个测量范围的校正。可选地，提供一个具有基本形式查找表，并且提供取决于标尺和读取头的相对位置的修饰符(modifiers)。可选地，提供特定于不同的轴线范围的多个查找表。可选地，为给定的轴线位置提供多个查找表，并且那些给定轴线位置之间的位置的SDE误差可以从其中插值。
以上描述了与旋转编码器装置相关的本发明的示例性实现。然而，应当理解，本发明还可以用于确定线性编码器装置的SDE。因此，例如，由于CMM的线性轴之一(例如沿着Y轴)的移动，探头尖端可以被驱动进入人造物，从而使探头的触针偏转。可以收集在这种偏转期间与探头尖端的位置相关的一系列测量结果。触针尖端的确定位置应该是恒定的，因此在预期发生SDE的预定空间频率(即在其标尺/信号周期和谐波)处的测量结果的任何变化都可归因于线性编码器的SDE。这样的技术可以沿不同的或甚至整个线性轴重复，和/或可以假设所测量的SDE对于线性编码器的区域/整个范围是恒定的。在任何情况下，应当理解，线性编码器的SDE的形式可以表示如下：
其中p＝标尺间距(例如，单位为mm)，x＝位置(例如，单位为mm)和n＝2(例如)。
以上描述了通过分析在人造物检查期间获得的测量结果并且使用并非必须是编码器装置的直接输出的测量结果来确定编码器装置的SDE的方法。因此，以上描述了一种方法，不是分析编码器装置的直接输出来建立SDE，而是通过该方法使用编码器装置的输出部分地得到测量结果并由测量结果得到SDE。换言之，上述可以被描述为用于间接获得编码器装置的SDE的技术。
以上也描述了为了建立SDE，通过分析由装置在预定频率处获得的测量结果中的变化来获得SDE。特别地，它描述了一种用于确定在至少一个预定空间频率处测量结果中的变化的属性(即，相位偏移和幅度)的技术。
以上描述提供了许多用于通过仅分析由其中提供编码器装置的装置获得的测量结果来确定编码器装置的细分误差的方法(即，不使用通过外部/二次测量/校准设备例如干涉仪获得的测量结果)。因此，这些方法依赖于仅分析由装置的编码器获得和/或确定的测量结果。
以上还提供了一种通过查看在至少一个预定空间频率处获得的测量结果中的变化来提取编码器装置的SDE的新颖方式的描述。以上还提供了表示编码器装置的SDE的新颖方式的描述，例如通过函数，以及例如通过适应于编码器的SDE沿测量范围的变化的函数的方式。在这些情况下，应当理解，通过使用传统技术例如通过使用外部校准设备，以及通过上述新颖的方法来获得确定SDE所需的数据。例如，通过将编码器装置的输出与校准的干涉仪的输出进行比较以已知的方式确定SDE，然后可以根据上述技术来确定用于描述SDE的误差函数。
在所述实施方式中，坐标定位机是串行CMM(即，其中由三个独立的正交运动轴提供三个线性自由度)。然而，应当理解，本发明还可以用于控制其它类型的坐标定位机的移动，例如平行CMM、机器人手臂等。本发明也可以不仅用于专用的CMM，而且还可以与其他类型的坐标定位机(例如机床)一起使用。此外，应当理解，本发明也适用于笛卡尔和非笛卡尔定位机，例如极坐标定位机和球形坐标定位机。

Claims (25)

1.一种确定编码器装置的细分误差的方法，所述编码器装置被配置为测量其上安装有检查设备的装置的相对可移动部件的位置，所述方法包括：
使得所述检查设备检查包括相对移动所述装置的相对可移动部件的特征；和
使用在所述特征的检查期间获得的测量结果来确定所述编码器装置的细分误差。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定用于校正所述编码器装置的细分误差的至少一个误差图。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个误差图包括查找表或函数。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述误差图描述了所述细分误差的形式，并且其中，所述描述沿着所述编码器装置的测量范围而变化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：基于所述测量结果中的在至少一个预定空间频率处的周期性变化的属性来确定所述编码器装置的细分误差。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述属性包括在所述至少一个预定空间频率处的所述变化的振幅和相位偏移。
7.根据权利要求5和6所述的方法，其中，所述至少一个预定空间频率对应于所述编码器装置的标尺或信号周期，以及可选地其谐波。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：确定所述编码器装置的测量范围中的不同区域的细分误差。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述装置包括至少一个旋转轴线，所述检查设备可围绕所述至少一个旋转轴线定向，并且所述编码器装置是用于测量所述检查设备围绕所述旋转轴线的取向的旋转编码器装置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量结果包括在所述特征的检查期间由所述检查设备获得的测量结果。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量结果包括所述特征的表面的测量结果。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述检查设备包括接触式探头。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述接触式探头包括具有触针尖端的触针，并且其中，所述测量结果与触针尖端的位置测量结果有关。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，其上安装有所述检查设备的所述装置包括坐标定位机。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述编码器装置包括标尺和用于读取所述标尺的读取头。
16.一种计算机实现的方法，包括：接收由其中含有编码器装置的装置获得的测量结果，所述测量结果来自所述编码器装置的输出，以及根据所述测量结果确定所述编码器装置的细分误差。
17.一种确定包括标尺和读取头的编码器装置的细分误差的方法，所述方法包括：
使所述标尺和所述读取头相对于彼此移动，并使用检查设备来获得特征的表面的测量结果；和
基于在所述测量结果中的在至少一个预定空间频率处的周期性变化来确定所述编码器装置的细分误差。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述预定频率对应于所述读取头信号周期或所述标尺周期，以及可选地其谐波。
19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括：生成用于校正所确定的细分误差的误差图。
20.一种包括指令的计算机程序代码，当由装置的控制器执行时，所述指令使得所述装置执行根据权利要求1至19中任一项所述的方法。
21.一种计算机可读介质，其承载根据权利要求20所述的计算机程序代码。
22.一种编码器装置，包括：标尺和用于检测所述标尺的读取头，其中，提供了描述所述编码器装置的细分误差的至少一种误差函数。
23.根据权利要求22所述的编码器装置，其中，所述细分误差的所述描述沿着所述编码器装置的测量范围变化。
24.一种包括根据权利要求22或23所述的编码器装置的装置。
25.一种装置，包括：被配置为测量所述装置的相对可移动部件的位置的编码器，以及检查设备，所述装置被配置为使所述检查设备检查包括相对移动所述装置的相对可移动部件的特征，并使用在所述特征的检查期间获得的测量结果来确定所述编码器装置的细分误差。
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