CN113195176A - 制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种制造系统，包括：坐标定位机器(10)，所述坐标定位机器具有在所述机器的工作空间内可移动的结构、用于使所述结构围绕所述工作空间移动的驱动装置、以及用于以第一精度确定所述结构在所述工作空间内的位置的定位装置；以及计量装置(30)，所述机器(10)可移除地可联接至所述计量装置上，使得当所述机器(10)联接至所述计量装置(30)时，随着所述驱动装置使所述结构移动，所述计量装置(30)能够以高于所述第一精度的第二精度测量所述结构的位置。

Description

制造系统及方法

本发明涉及一种制造系统及制造方法。本发明尤其但不排他地涉及使用关节机械臂的制造系统及制造方法。

关节机械臂通常用于各种制造应用，例如组装、焊接、粘合、涂装、拾取和放置(例如用于印刷电路板)、包装和打标签、码垛以及产品检查。它们受益于通用性和坚固性、大范围和高度的移动灵活性，使它们非常适合在生产环境中使用。

在附图的图1中示意性地示出了关节机械臂(或简称“机械臂”)，该关节机械臂包括从固定底座2延伸到可移动凸缘3的关节臂1，凸缘3支撑工具(或末端执行器)4。通常，凸缘3设置有允许工具4方便地互换的联接件，使得可以根据相关应用使用各种工具或末端执行器；示例包括夹具、真空吸盘、切割工具(包括机械和激光切割工具)、钻孔工具、铣削工具、去毛刺工具、焊接工具和其他专用工具。

臂1包括由多个旋转接头6连接的多个区段5，形成从一端到另一端的机械联动装置。在图1所示的示例中，有七个旋转接头6，这些旋转接头在具有垂直于其连接的区段5的纵向轴线的旋转轴线的旋转接头与具有平行于其连接的区段5的纵向轴线的旋转轴线的旋转接头之间交替。

尽管机械臂也可能具有一个或多个线性接头，但是工业机械臂的最常见的布置可能是具有六个旋转接头。具有多个接头允许工具4在工作空间来回移动并将其操纵成各种不同的姿势的灵活性。可以通过在臂中具有更多或更少的接头来改变灵活性的程度。

具有额外的接头(并因此具有更大的灵活性)的缺点在于，每个接头都会产生位置误差或不确定性，并且由于联动装置的串联性质，这些误差是累积的。校准机械臂以找出这些误差或不确定性是重要的。

然而，校准任何类型的非笛卡尔机器都是重大的挑战，并且对于比如图1所展示的关节臂来说尤其如此，该关节臂具有多个旋转接头，这些旋转接头相对于彼此不固定并且可以以复杂方法组合在一起以将工具放置在工作空间中。校准笛卡尔机器通常更直接，因为这样的机器具有三个明确限定的轴线，这些轴线以正交的布置相对于彼此固定，每条轴线在很大程度上彼此独立。对于关节机械臂，每条轴线的位置和取向取决于每条其他轴线的位置和取向，使得对于每个不同的机器姿势，校准将不同。

许多校准技术的共同目标是明确有关机器的参数模型，其中使用多个参数来表征机器的几何学。最初将未经校准的值分配给这些参数，作为机器几何学的起点。在校准期间，(基于对机器参数的当前估计)将机器移动到各种不同的姿势。对于每个姿势，使用校准的测量装置测量实际姿势，使得可以确定假定的机器姿势与实际机器姿势之间的误差的指示。

校准机器的任务然后相当于使用已知的数值优化或误差最小化技术来确定用于使误差最小化的各种机器参数的一组值。这种技术的示例是众所周知的莱文贝格-马夸特(Levenberg-Marquardt)算法，该算法使用最小二乘法来根据优化的每个参数通过知晓误差的导数将误差最小化(“用于解决最小二乘中的某些非线性问题的方法”，KennethLevenberg，1944年，应用数学季刊，第2期：164-168页；以及“用于非线性参数的最小二乘估计的算法”，Donald Marquardt，1963年，SIAM应用数学杂志，第11(2)期：431-441页)。其他技术也是可能的，包括基于最大似然法的技术。

对于如图1展示的机械臂，这些机器参数可能包括各种几何参数，比如每个区段5的长度和每个旋转接头6的旋转角度偏移(编码器的角度加上已校准偏移，从而得出实际角度)以及各种机械参数(比如接头顺应性和摩擦)。当正确地校准时，在所有这些机器参数已知的情况下，可以更确定地预测当机械臂控制器7命令各种接头6移动到不同相应位置时，工具4实际将在哪个位置。换句话说，由这种校准产生的机器参数提供了机器几何学的更准确的表征。

DE 3504464 C1描述了使用多个伸缩杆，这些伸缩杆暂时附接至关节机械臂以用于进行校准程序。

然而，即使在校准这样的关节机械臂之后，误差仍然存在，并且由于机械联动装置的连续特性，这些误差是累积的。因此，关节机械臂的精度和可重复性通常不如例如常规的三轴笛卡尔机器的精度和可重复性。因此，尽管关节机械臂从大范围、高度灵活性和多功能性中受益匪浅，但它们通常不适合用于需要高精度和/或可重复性的最苛刻的应用中。

期望解决上述缺点，以提供一种系统，该系统可以受益于关节机械臂的范围和灵活性，但具有改进的准确性和/或可重复性。

根据本发明，提供了一种制造系统，包括：坐标定位机器，所述坐标定位机器具有：在所述机器的工作空间内可移动的结构，用于使所述结构围绕所述工作空间移动的驱动装置，以及用于以第一精度确定所述结构在所述工作空间内的位置的定位装置；以及计量装置，所述机器可移除地可联接至所述计量装置上，使得当所述机器联接至所述计量装置时，随着所述驱动装置使所述结构移动，所述计量装置能够以高于所述第一精度的第二精度测量所述结构的位置。

当所述机器联接至所述计量装置时，可以在所述工作空间内限定预定区域，在所述预定区域中，所述计量装置能够以所述第二精度测量所述结构的位置。可以有围绕所述工作空间的多个这样的计量装置，从而在所述工作空间内限定多个相对应的相应区域。

驱动装置可以包括通过多个机动接头串联连接或布置的多个区段或连杆。接头可以包括至少一个旋转接头。接头可以包括至少一个线性接头。接头可以仅包括旋转接头。

该机器可以是机器人。该机器可以是串联机器人。该机器可以是工业机器人。该机器可以是机械臂。该机器可以是任何其他类型的机器，例如三角式机器人(US 4976582)或缆索机器人(US 2009/0066100)或三滑移装置(US 2003/0005786)。

定位装置可以包括串联布置的多个测量换能器(例如编码器)，用于提供相对应的相应多个测量值，根据这些测量值可以以第一精度确定结构的位置。

计量装置可以包括平行布置的多个测量换能器(例如编码器)，用于提供相对应的相应多个测量值，根据这些测量值可以以第二精度确定结构的位置。

计量装置可以包括六个这样的测量换能器。

计量装置可以是六足计量装置。

机器可以可操作(或适用于)在机器也联接至计量装置的情况下执行以下类型的操作中的至少一种：测量操作、探测操作、机加工操作、夹持操作、钻孔操作、涂装操作、取放操作以及粘合操作。

该机器可以联接至至少一个工具，同时该机器也联接至计量装置。机器可以具有联接件，该联接件使其能够联接至至少一个工具和计量装置，使得机器同时联接至两者。机器可以同时联接至至少一个工具和计量装置。

该工具可以用于执行诸如测量操作、探测操作(例如接触触发操作或扫描操作、使用接触式探头或非接触式探头)、加工操作、夹持操作、钻孔操作、涂装操作、取放操作或粘合操作等的操作。

至少一个工具可以包括以下中的至少一个：测量探头、夹具、钻孔工具、焊接工具、粘合工具以及涂装工具。测量探头可以是接触式探头或非接触式(例如光学)探头。测量探头可以是接触式触发探头或扫描探头。

应当理解，计量装置不仅仅用于校准目的。换句话说，不仅在机器投入运行之前执行的设置和校准程序期间才安装计量装置，然后将计量装置从机器上拆下。相反，计量装置在机器的实际操作使用期间就位，并且在操作使用期间有效地成为机器的部分。以此方式，计量装置可用于提供与在操作使用期间发生的事件(例如，接触触发事件或拾放事件)相关的计量结果(测量)。这与DE 3504464 C1中规定的伸缩校准杆形成对比，后者仅用于校准目的。

可以提供至少一个工具作为计量装置的一体部分，从而形成如下文更详细描述的“智能工具”。因此，机器可以通过联接至计量装置而联接至工具，反之亦然，因为计量装置和工具实际上只是机器可联接至的单个实体。替代地，工具和计量装置可以单独提供，使得机器单独联接至工具和计量装置。

坐标定位机器和计量装置之间的联接可以是物理和/或机械联接。

坐标定位机器和计量装置之间的联接可以是运动学或伪运动学联接。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制如上所描述的制造系统的方法，该方法包括：在所述机器与计量装置解除联接的情况下执行第一操作；使用所述机器的定位装置在第一操作期间确定所述结构的位置；将所述机器联接至所述计量装置；在所述机器联接至所述计量装置的情况下执行第二操作；使用所述计量装置在所述第二操作期间测量所述结构的位置；以及将所述机器与所述计量装置解除联接。

可以在上述区域内进行第一次操作，而在区域外进行第二操作。第一操作可以包括从另一个这样的区域移动机器。

第二操作可以包括以下中的至少一项：测量操作、机加工操作以及粘合操作。

该方法可以包括将机器例如在联接至计量装置之前可移除地联接至第二操作所需的工具。

在坐标定位机器联接至计量装置的情况下(例如，当执行第二操作时)，坐标定位机器的定位装置可以仍然存在和/或就位。坐标定位机器的定位装置在第二操作期间仍可以操作。

基于来自坐标定位机器的定位装置的位置数据，可以在第二操作期间控制坐标定位机器。

在第二操作期间可以基于来自计量装置的位置数据来控制坐标定位机器(使得计量装置有效地代替定位装置)。

基于来自定位装置和来自计量装置的位置数据的组合，可以在第二操作期间控制坐标定位机器。

该结构可以包括坐标定位机器的一个或多个元件，例如串联机械联动装置中的最终元件，和/或以已知关系附接至这样的元件的部件。

测量或确定结构的位置可以包括测量或确定以已知空间关系附接至结构的部件(例如工具)的位置。由于已知的空间关系，确定结构的位置有效地相当于或等同于确定附接部件或工具的位置(和/或可能对于该确定是必要的)。

对结构的“位置”进行测量应被理解为在适当数量的自由度下对结构的位置和/或取向进行测量。例如，在六个自由度下对位置进行测量的情况下，则确定结构的位置和取向两者。然而，如果仅在三个自由度下测量位置，则这可能包括也可能不包括确定结构的取向。术语“对位置进行测量”应相应地进行解释。

在此使用的术语可联接可以被认为是指可移除地联接，或容易地可移除地联接，或容易地联接和解除联接，例如以坐标定位机器可以相对容易地和/或无需人工(人)介入或干预，即以自动方式与计量装置联接并再次与计量装置解除联接的方式。有一种感觉，联接状态仅旨在是暂时状态，而不是永久或半永久状态，坐标定位机器仅针对特定操作或一系列操作暂时联接至计量装置。为此目的，可以在坐标定位机器和计量装置上都设置专用的联接元件，其中联接元件被适配为以自动方式彼此可接合和可脱离接合。

在将坐标定位机器联接至计量装置之前和之后被测量的位置可以具有不同的参考系。参考系可以通过坐标定位机器和计量装置之间的运动学联接装置相互关联，以确保它们之间的相对定位是准确的、已知的以及可重复的。

该联接可以是物理和/或机械联接。这与例如光学跟踪系统形成对比，其中光学跟踪器是永久联接的(即，在此处所指的意义上不可移除地联接)并且可以在需要时打开和关闭；尽管这种联接是可切换(可移除)的，但它是一种光学联接，而不是物理或机械联接。在本发明的实施例中使用光学计量装置的情况下，它以物理或机械方式可移除地联接至坐标定位机器，使得光学计量装置可以根据需要选择性地形成或不形成坐标定位机器的部分。这与仅仅打开或关闭光学计量系统不同，在本文中意指的意义上，这不被认为是联接和解除联接。

该联接可以是自动联接而不是手动联接。这使得制造过程能够在将坐标定位机器与计量装置联接和解除联接时进行而无需人工干预。这样，机器就可以从低精度区域移动到高精度区域，在高精度区域进行操作，然后从高精度区域移动回到低精度区域进行进一步的操作，全程无需人工干预。自动联接与需要将计量装置手动联接至坐标定位机器的联接形成对比。

如上所述的制造系统可以包括可操作(或适用于)执行上述控制方法的机器控制器。

根据本发明的另一方面，第二精度不同于但不一定低于第一精度。计量装置是用于以第二精度测量结构的位置的定位装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序，当由计算机或机器控制器运行时，该程序使计算机或机器控制器执行根据本发明的上述方法。程序可以承载在载体介质上。载体介质可以是存储介质。载体介质可以是传输介质。

根据本发明的另一方面，提供了一种其中存储有用于控制计算机或机器控制器以执行根据本发明的上述方法的计算机程序指令的计算机可读介质。

现在将通过示例的方式参考附图，其中：

图1是本文之前讨论的关节机械臂的示意性图示；

图2A至图2J示出了根据本发明实施例的制造系统及制造方法的各个阶段；

图3更详细地显示了图2A至图2J的六足计量装置；

图4A至图4D图示了根据本发明实施例的“区域”概念；

图5A示出了根据本发明另一实施例的制造系统；

图5B更详细地显示了图5A的六足计量装置；

图6示出了根据本发明又一实施例的制造系统；

图7示出了根据本发明又另一实施例的制造系统；

图8A示出了未实施本发明的制造系统，其中钻孔操作之后是组装操作；

图8B和图8C示出了实施本发明的两个替代制造系统，用于执行与图8A等效的操作；

图9A至图9D示出了实施本发明的制造系统及方法，其中在与计量装置接合之前，机械臂从机架拾取工具；

图10示出了实施例，其中使用光学六足计量装置代替物理六足计量装置；

图11示出了替代类型的图10的光学计量装置；

图12示出了使用串联运动笛卡儿坐标定位机器代替机械臂的实施例；

图13是根据本发明实施例的“模块化计量”概念的示意图；

图14显示了对图13的“模块化计量”概念的扩展，除了“模块化计量”概念之外，还引入了“模块化工具”概念；以及

图15向图14所示的概念引入了“智能工具”概念，其中至少一个计量装置配备有一体式工具(或该工具配备有一体式计量装置)。

现在将参考图2A至图2J描述根据本发明第一实施例的制造系统及方法。制造系统可以形成更广泛的生产环境(例如工厂)的一部分，具有图2A中未示出的其他机器和工作站，并且所描述的制造方法可以形成用于在工件20上工作的更广泛的生产过程的一部分。

制造系统包括关节机械臂10，其与上文参考图1描述的机械臂大体相似。图2A的机械臂10与图1的机械臂的不同之处在于联接至最终区段5的工具(图1的凸缘3不存在于图示的机械臂10中，但在实践中可以提供)。由于机械臂的适应性，不同类型的工具被联接至机械臂是很常见的，或甚至是如图2A所示的多个工具。因此，代替图1所示的工具4，图2A的机械臂10设置有夹具14和联接元件12。

联接元件12的目的将在下文中进一步变得显而易见，但是夹具14被提供用于拾取和承载支撑在支撑件22上的工件20。作为更广泛的生产过程的一部分，工件20可能已经被传送带运送到图2A中所示的位置(因此支撑件22是传送带)，已经在另一工作站或在生产环境的另一工作区域中被加工(例如机加工)。或者，机械臂10本身可以事先在工件20上原位工作，例如使用与图2A所示的工具不同的工具，其中支撑件22是固定工作台。下面参考图9进一步探讨了可互换工具的概念。

在本示例中，工件20在生产过程中已经达到需要对其进行测量以检查其是否符合可接受的公差或者换言之检查其是否具有正确且预期的尺寸的阶段。如上所述，工业机械臂虽然用途广泛，但至少与常规的坐标测量机相比，工业机械臂的定位精度相对较低，这使得它不适合进行当前示例要求的高精度测量操作。

不是将工件20移动到完全独立的坐标测量机器以在生产过程的这个阶段进行现在所需的高精度测量(这是通常可能发生的情况)，而是本申请人设计了一种方法，该方法将标准工业机械臂的多功能性与更常规的坐标测量机器的高精度相结合。

考虑到上述内容，并参考图2B，机械臂10被控制以将夹具14定位在工件20上方。于是在该示例中本身是铰接的并且可在一定程度上延伸的夹具14被控制以夹持并拾取工件20。然后，如图2C所示，在工件20由夹具14承载的情况下，机械臂10和夹具14被控制以将工件20移动到计量装置30并将工件20放置在计量装置30的工作空间内。

在参考图2D描述下一步骤之前，首先将参考图3更详细地描述计量装置30。计量装置30总体上包括第一结构32和第二结构34，该第一结构和第二结构由设置在它们之间的多个可伸缩或可延伸的支腿36支撑并相对于彼此移动。第一结构32和第二结构34有时被称为台架或平台，并且可延伸的支腿36有时被称为支柱。由于有六个这样的可延伸的支腿36，该装置通常被称为六足，使得计量装置30可以被称为六足计量装置30。

可延伸支腿36通常经由球接头38安装在结构32、34上，其中每个支腿36或者在其一端或两端处具有其自身的球接头38(如图3中所展示的)，或者在一端或两端处与相邻的支腿36共用球接头38。每个可延伸的支腿36通常形成为一对管，其中一个管可在另一管内滑动，以便使可延伸的支腿36能够延伸和缩回，如箭头35所示。

第一结构32是相对于第二结构34可移动的，如图3中箭头31所示，第一结构32和第二结构34之间在任何时刻的相对位置由多个长度测量换能器37监测，例如每个可延伸的支腿36与一个换能器37相关联。每个长度测量换能器37可以包括与读头成对的编码器标尺，其中编码器标尺被适当地安装到一对伸缩管中的一个管上，并且读头适当地安装在另一个管上。因此，支腿36的延伸导致编码器标尺移动经过读头，从而产生基于延伸量的信号。

来自每个换能器37的信号或读数被馈送到计算机控制器39，计算机控制器进而可操作以基于这些信号或读数计算第一结构32和第二结构34之间的相对位置。通过六个这样的长度测量换能器37，可以在六个相对应的相应自由度(三个平移自由度和三个旋转自由度)下测量相对位置。

在图3所示的装置中，结构34被设置为机器的固定结构的一部分，而另一个结构32相对于固定结构移动31。测量探头40可以安装在上部(移动)结构32上，工件20安装在下部(固定)结构34上，以使得能够在工件20上执行测量或探测操作。当上部结构32和下部结构34处于它们最间隔开的位置时，工作空间42被限定在它们之间，工具40在工作空间42内移动。虽然箭头31被显示为指示平移运动，但是结构32也可以旋转。在替代性布置中，上部结构32可以固定而下部结构34可移动(由箭头33指示)，探头40安装在下部结构34的下表面上，工件安装在其下方的固定结构的一部分上，使得机器的工作空间42(或操作空间)在下部结构34的下方而不是其上方。

然而，与其考虑计量装置30本身的工作空间，当联接至计量装置30时，考虑机械臂10的工作空间可能更合适。这是因为机械臂10仍然是工作机器；计量装置30本身不是独立的机器，主要是因为它仅具有测量器件(即多个长度测量换能器37)并且没有独立的驱动器件。

由于计量装置30是被动式的，无需任何增加重量和发热的驱动部件，可以控制和减少零件(包括用于测量距离的测量工具)的惯性和热变形引起的计量误差。此外，因为计量装置30不需要任何驱动部件，它可以配备低摩擦接头，而驱动装置通常需要更坚固和耐用的接头，这些接头不可避免地具有更高程度的摩擦，尤其是在负载下时。因此，计量装置30的接头可以是低摩擦类型的并且也不会承受在与驱动装置相组合情况下的相同的负载。滞后效应(其可能导致根据接近工件的方向而记录不同的测量值)可以相应地通过具有没有任何驱动部件的专用的计量装置30来减少。通过专用于计量，计量装置30因此可以提供非常高精度的位置测量，并且可以用于选择性地将具有相对差的精度的机器(例如机械臂10)转变为具有相对高的精度的机器。

不仅计量装置30本身由于其不具有任何驱动器件而不能被认为是独立机器，而且即使没有计量装置30，机械臂10仍然可以作为独立的工作坐标定位机器执行，因为机械臂具有其自身的驱动器件，也具有其自身的定位器件，以用于使用与参考图1所解释的各种旋转接头6相关联的旋转编码器的输出来确定工作工具的位置。

因此，对于本发明的实施例，机械臂10仍然是机器，但它在需要时(即，当需要更高的精度时)联接至计量装置30。在参考图2和图3描述的实施例中，因为六足计量装置30具有比机械臂10更有限的范围或工作空间，所以当机械臂10联接至计量装置30时，组合装置(机械臂10加上计量装置30)的工作空间现在受到计量装置30的更受限的运动范围的限制，并且这在机械臂10本身的整个工作空间内产生了可以被认为是高精度的“区域”。

现在将参考图4A到图4D来描述“区域”的这个概念。图4A是具有工作空间W的机械臂10的示意图，该工作空间包含多个不同的工作区域A1至A6。工作空间也可以称为工作范围，工作区域也可以称为工位或工作站。意图是机械臂10在不同的工作区域A1至A6中的每一个工作区域中执行不同的任务，例如钻孔、焊接、组装、清洁等。在图4A所示的位置，机械臂10在工作区域A1中进行操作，这等同于图2A和图2B所示的位置，其中机械臂10的定位仍然基于机械臂自身的测量传感器(定位装置)，即精度相对较低。在整个图4A的阴影区域都是这种情况。

当需要更高精度的操作时，如图4B所示，机械臂10移动到工作区域A2，该区域在机械臂10的工作空间W内提供了高精度区域Z1。下面更详细地描述从低精度工作空间W到高精度区域Z1的过渡方式。随后，如图4C所示，机械臂10移动到工作区域A5，该工作区域在机械臂10的工作空间W内提供另一高精度区域Z3。然后，如图4D所示，机械臂10移动到工作区域A4，该工作区域位于任何高精度区域Z1至Z3之外，并且因此在机械臂10的低精度工作空间W内。

现在返回到图2A到图2J的步骤，上面参考图2A到图2C描述了机械臂10如何将工件20从图2A中所示的位置(等同于图4A中的工位A1)移动到计量装置30，其中夹具14被命令释放工件20，使得工件被放置在如图2C所示的计量装置30内(等同于图4B的工位A2或区域Z1)。应注意，机械臂10和夹具14由与图1的控制器7等效的控制器(为清楚起见未示出)控制。

如图2D所示，然后控制机械臂10向上并围绕计量装置30的顶部平台32移动，并将联接元件12定位在顶部平台32上方，随后向下移动以接合并联接至顶部平台32。图2E示出了机械臂10的联接元件12已经联接至计量装置30的顶部平台32，此时夹具14不形成阻碍。

随着机械臂10现在联接至计量装置30，如图2F和图2G所示执行测量操作，其中在图2F中机械臂10使测量探头40移动而与工件20的第一特征(角部)接触接合，然后在图2G中与工件20的第二特征(角部)接触接合。众所周知，当进行接触时，测量探头40的可偏转触笔偏转并且产生接触触发事件，使得可以记录测量探头40(以及因此接触点)的位置。

当以这种方式联接至计量装置30时，机械臂10由其自身的驱动器件驱动并且其位置基于来自其自身定位器件(即旋转编码器)的反馈而被控制，但是在计量装置30也就位之后，现在可以基于来自计量装置30的测量换能器37的信号更精确地确定图2F和图2G中所示的接触触发事件的位置。

测量操作可以包括进行接触触发测量，其中测量探头40接触工件20的表面并移开，然后在不同的地方再次接触，等等，其中记录接触触发事件的各个位置。测量操作还可以包括扫描操作，其中测量探头40保持与工件20的表面接触，同时沿表面进行扫描。或者，对于合适类型的测量探头40，这些操作的组合也是可能的。

当测量操作已经完成时，测量探头40移动离开工件20并且联接元件12从计量装置30的顶部平台32脱离接合或解除联接，如图2H所示。然后，如图2I所示，夹具再次被用来拾取工件20，并且如图2J所示，工件20被移动回到其原始工作区域(等同于图4A的工作区域A1)。在从图2H中的计量装置30解除联接之后，机械臂10再次在其正常的(低精度)、位于计量装置30所限定的高精度区域Z1之外的工作空间内操作。

联接元件12和结构32之间的联接优选地是运动学或拟运动学联接的形式。在使主体相对于另一个主体定位的情景下，通过使用最小数量的约束来约束主体的运动自由度来满足运动学设计考虑因素，并且特别地涉及避免过度约束。过度约束会导致两个主体之间出现多个接触点，从而使得一个主体能够在多个于一个位置处靠在另一个主体上。因此，主体的位置是不可重复的，因为不知道主体将靠在几个位置中的哪一个位置处。特别地，在存在过度约束的情况下，处于适当位置的约束之间存在冲突，使得不可能确切地确定哪种约束组合将会确定主体的实际位置。这些构思在以下文献中进行了描述：H.J.J.Braddick，“Mechanical Design of Laboratory Apparatus”[实验室设备的机械设计]，Chapman&Hall，伦敦，1960，第11-30页。

运动学联接的使用是有益的，因为它提供了非常精确和可重复的联接，因此对于在典型的制造方法中可能执行的(与相应的多个工作阶段相关联的)多个单独和独立的联接中的每一个联接，该联接的一个半部(联接元件12)相对于该联接的另一个半部(结构32)的位置是已知具有高度的确定性的。这有助于将坐标定位机器的参考系与计量装置的参考系联系或关联，从而有效地为处于联接状态的机器创建共同的整体参考系。

这样的运动学联接(具有最小数量的接触点(或点状触点)以提供理想的约束)在对联接的一个半部中的变形进行隔离以免被传递到联接的另一个半部方面也非常有效。因此，该联接有助于防止联接元件12的变形被传递到结构32(并由此传递到计量装置30)。这提供了清晰描绘的计量框架，该计量框架具有与机械臂10的良好的机械隔离程度。

特别地，在该实施例中，联接元件12包括一组三个球以根据运动学设计原理提供三个接触点(示意图中仅示出两个)。结构32的上表面可以方便地设有一组相应的凹槽，球在联接时将定位在这些凹槽中，同样根据运动学设计原理，以提供六个接触点以相对于结构32在六个自由度约束联接元件12。或者反过来，球可以设置在结构32上，凹槽设置在联接元件12上。关于这方面的更多信息，请参考上述Braddick文件。

伪运动联接可以替代地以多个弹性垫片或垫的形式提供，而不是刚性球，例如，布置在三角形的脚部处的三个这样的垫片。这提供了一定程度的运动学联接，即使触点不是点状的而是散布在弹性间隔件的小区域上。使用弹性间隔件(例如由橡胶制成)是有利的，因为它们起到吸收来自机械臂10的驱动布置的一些振动的作用，使得振动不会被传递到计量装置30。或者，联接一个半部上的三个刚性球可以与另一个半部上的平坦表面(而不是凹槽)或三个相应的杯状凹槽联接。

概括地说，如上所述实施本发明的制造系统包括坐标定位机器(例如机械臂10)，其具有结构(例如机械臂的最后区段，联接元件12和夹具14以已知关系附接至其上，或者联接元件12和夹具14中的一个或两个)。该结构可在机器的工作空间内移动(例如图4中所示的工作空间W)。坐标定位机器具有自身的、用于使结构围绕工作空间移动的驱动装置(例如与图1的旋转接头6相关联的电机)，以及用于以第一(相对低)精度确定结构在工作空间内的位置的定位装置(例如与图1的旋转接头6相关联的旋转编码器和相关联的处理器件)。单独地，制造系统具有计量装置(例如六足计量装置30)，坐标定位机器在需要时可联接至该计量装置(例如通过将联接元件12与平台32接合)，使得当机器联接至计量装置时，通过驱动装置使结构移动，在工作空间内限定预定(相对高精度)区域，在该区域中，计量装置能够以高于第一精度的第二精度测量结构的位置。应当理解，结构的位置是直接或间接测量的；例如，用户对工具4或测量探头40的位置比对它们所附接的结构更感兴趣，但工具4和测量探头40以已知关系附接至结构上，因此确定工具4或测量探头40的位置有效地包括至少隐含地确定其所附接的结构的位置。

通过这样的制造系统，可以执行制造方法，其中在预定(相对高精度)区域之外执行第一操作，其中机器与计量装置解除联接，并且使用机器的定位装置来确定在第一操作期间结构的位置(以及因此以已知关系联接至结构的任何部件，例如夹具)。然后将机器联接至计量装置并且在该区域内执行第二操作，其中机器联接至计量装置。使用计量装置确定第二操作期间结构(以及因此任何部件，例如以已知关系联接至结构的测量探头)的位置。随后，机器与计量装置解除联接，使其再次在更大(精度较低)的工作空间内运行。

图5A是根据本发明另一实施例的制造系统的示意图。制造系统再次包括关节机械臂10，其大体类似于参考图2描述的先前实施例的关节机械臂，不同之处在于图5A的联接元件12和夹具14以与图2的等效部分不同的形式提供，主要区别在于联接元件12的形式以及它如何联接至计量装置30的结构32。

图5A的计量装置30在图5B中更详细地示出，并且类似于图2和图3的计量装置。图5A和图5B的计量装置30的不同之处在于联接元件52设置在结构32(这仅在图5B中示意性地示出，但在实践中不需要如图5A中所示的实际块特征，其中联接元件12例如以某种合适的方式与结构32直接对接)。此外，图5A和图5B的计量装置30没有设置一体式测量探头40。在该实施例的制造系统中，测量探头40设置为在计量装置30的工作空间之外的附接至机器的固定部分(在该示例在固定悬垂部的下侧)的固定探头，而不是像图2那样被支撑在计量装置30的平台32的下侧(在其工作空间内)。这强调了上述内容，即当联接至计量装置30时，定义或考虑机械臂10的工作空间而不是计量装置30本身的工作空间是合适的。对于图5的实施例，特别显而易见的是，计量装置30为机械臂10而不是工具(例如测量探头)提供可对接的高精度计量框架，并且机械臂10在其他方面不变(即保留其正常的驱动装置和定位装置)。这样做时，在机械臂10的整个工作空间内再次限定了高精度区域。

从图5的示意图中可以很容易地看出，为了接合或进入高精度区域，在该实施例中，机械臂10的联接元件12暂时联接至设置在计量装置30的结构32上的联接元件52。当如此联接时，当工件20接触测量探头40时，该工件的位置可以基于计量装置30的输出以高精度测量。当测量操作完成时，机械臂10可以再次与计量装置30解除联接或脱离接合，返回到较低精度的状态并准备好围绕其工作空间执行其他任务。

图6是根据本发明另一实施例的制造系统的示意图。制造系统再次包括关节机械臂10，该关节机械臂大体类似于参考图2描述的实施例的关节机械臂。然而，在图6所示的实施例中，夹具14和联接元件12支撑在共同构件16上，该共同构件从机械臂10的最后区段延伸。计量元件的结构32包括槽54，构件16可以插入到该槽中，从而允许机械臂10在将联接元件12移动到与结构32接合之前将该联接元件定位在结构32上。为了适应这种布置，测量探头40以面向上的取向设置在计量装置30的下部结构34上，其中在一系列测量操作期间移动工件20而不是测量探头40。

如上所述地将机械臂10联接至计量装置30不仅在要执行测量操作时有用，这将从图7中所示的实施本发明的制造系统中显而易见。图7的实施例也显示了两个不同计量装置30提供的两个高精度区域的使用(例如等同于图4的区域Z1和区域Z2)。当联接至第一计量装置30(在图7的左侧)时，使用钻孔工具42在工件20上执行钻孔操作。然后机械臂10与第一计量装置30解除联接并移动到第二计量装置30并与其对接，该第二计量装置设置有用于以高精度测量机加工的工件20的测量探头40。工件20本身可以手动地或通过机械臂10上的夹具(未示出)以与参考图2所描述的方式类似的方式从一个工位移动到另一工位。

如现在将参考图8A至图8C所描述的，除了在制造环境内提供用于测量和钻孔或机加工的高精度区域之外，本发明的实施例还应用于组装操作。图8A示出了不实施本发明的制造系统，其中在第一工位(在图8A的左侧)执行钻孔操作，随后在第二工位(在图8A的右侧)执行组装操作。组装操作包括在第一操作中将塞子44插入在工件20中钻出的孔中，但这当然只是说明性示例。由于机械臂10的定位装置的精度相对较低，其中涉及非常严格的公差(例如塞子44在钻孔中非常紧密地配合)，至少在某些情况下，组装操作可能会失败(如图8A的右侧所示，其中塞子44没有完全装入孔中)。

如图8B所示，这种情况通过实施本发明的制造系统得到改善，其中可对接的计量装置30为组装操作提供高精度区域，从而使塞子44能够更成功地插入孔中，并因此提高生产过程的产量。图8C中所示的实施例通过为钻孔和组装操作都提供高精度区域而更进了一步。

图9A至图9D示出了根据本发明另一实施例的制造系统及方法。如图9A所示，在机械臂10的工作空间内设有工具架(或工具座)48。各种工具被固持在架48中，包括夹具14、铣削工具48、激光切割工具46、钻孔工具42以及测量探头40。使用模块化联接系统，使得每个工具都可以在需要时可移除地联接至机械臂10，即从机架48中拾取并用于执行操作，然后落回到机架48中，以便在需要时可以拾取另一工具。可移除联接能够以自动化方式相对容易且无需人工干预地实现这一点，使得可以将其用于自动化制造过程中。

在图9A所示的示例中，机械臂10被控制以拾取钻孔工具42，并且在图9B中，机械臂10移动到工作区域(高精度区域)，在工作区域中设置有计量装置30。如上所述，机械臂10通过分别设置在机械臂10和计量装置30上的联接元件12和52与计量装置30对接。如图9C所示，当如此对接时，利用可从计量装置30获得的高精度计量，在工件20上执行精密钻孔操作。当操作完成时，机械臂10再次从计量装置30脱离对接，回到较低精度状态，使得机械臂可以继续其他任务，例如在将钻孔工具42放回机架48中之后。

图10示出了如下实施例，其中先前实施例的六足计量装置的物理可延伸的支腿36被光学等效物有效地替代。换句话说，在该实施例中，使用光学六足计量装置60代替物理六足计量装置30。多个回射器64布置在支撑结构62上，支撑结构通过前面描述的联接元件12、52联接至机械臂10。多个光源(例如激光器)66布置在支撑结构62上方的固定结构上，其中每个光源与回射器64之一配对以将该光源的光引导到其成对的回射器64上。这些光源66和回射器64等同于图3和图5B的球形接头38，出射和反射光束等同于可延伸的支腿36。使用众所周知的技术，例如基于飞行时间，可以测量各种间隔，使得可以确定结构62的位置。

图11图示了光学计量装置的替代类型，其中光学目标64设置在工具本身上，在该示例中是在测量探头40上，光源66与光学目标64相互作用以提供多个间隔测量，从间隔测量可以确定测量探头40的位置。其他光学或基于图像(摄影测量)的计量装置也同样适用。

尽管可以在本发明的实施例中使用光学和基于图像的计量装置，但是例如可以以比基于激光的计量装置更低的成本和更少的技术复杂性和问题提供基于机械六足的计量装置30。尤其是激光跟踪系统非常昂贵且有效使用很复杂，至少部分是由于需要复杂的控制系统来确保激光器(例如图10的激光器66)跟踪它们各自的目标(例如图10的回射器64)。

在可以对移动结构22的位置进行确定或采样的速率方面，基于机械六足装置的计量装置30相比于一些基于图像的计量装置而言也具有优点。对于基于图像的(摄影测量的)计量装置，采样速率固有地受到图像传感器的采样速率的限制，并且进一步受到基于大量图像信息执行复杂计算以便推导出移动平台的位置所花费的时间的限制。例如，EP3054265 A1的基于图像的系统说明“成像探测器提供的帧率通常只有几百赫兹”；这被描述为好处，因为它避免了检测不需要的高频运动，如振动。

然而，本申请人已经意识到，通过对来自与六足计量装置的可延伸支腿相关联的测量换能器的数据进行直接采样，可以实现高得多的动态带宽。例如，机器控制器通常每隔65μs(15kHz)从绝对编码器请求位置数据，但更高的采样速率也是可能的。增量式编码器系统产生连续正弦输出，其仍然允许更精细的运动控制，仅受到可以对连续输出进行采样的速率的限制。与基于图像的系统不同，根据这些值来确定可移动结构的位置所需要的计算并不太耗时。

尽管上文描述了六足计量装置30，其能够在六个自由度上进行测量，但本发明同样适用于非六足装置的测量装置，使得当需要测量较少的自由度时，可以使用少于六个的可延伸的支腿36。也可以使用其他类型的计量装置。

本发明也不限于使用诸如上述机械臂作为坐标定位机器。例如，可以使用诸如图12中所示的串联运动笛卡尔坐标定位机器80，其具有串联连接的三个部分，这三个部分分别沿正交轴x、y和z可移动。与其他实施例一样，机器将与计量装置30可移除地且暂时地联接以执行高精度操作，然后再次与计量装置30解除联接以执行其他任务。如图12所示，例如，机器可以具有长y轴，其中沿该y轴限定多个不同的工作区域，这些工作区域中的至少一个工作区域具有高精度区域，该区域具有可对接的计量装置30。

上面参考图4描述了区域的概念，其中高精度区域Z1至Z3限定在机械臂10(或其他类型的坐标定位机器)的总工作空间W内。应当理解，不排除机械臂10以其自身固有的精度在这些区域z1至z3中的任何一个内进行操作，即使用其自身的定位装置来确定其位置，因为图2C已经示出了其中机械臂10未连接到计量装置30但仍在计量装置30的区域内操作的示例。

由此也将明显的是，本发明同样适用于高精度区域和低精度区域在空间上重叠但在时间上不重叠的情况。这意味着设想了如下的实施例，其中坐标定位机器具有限定的工作空间，并且在第一时间段内，坐标定位机器使用来自其自身定位装置的较低精度的位置信息，然后坐标定位机器联接至更高精度的定位装置(在此称为计量装置)，并且在第一时间段之后的第二时间段内，坐标定位机器基于来自更高精度定位装置的高精度位置信息在相同的工作空间内操作。

例如，这种方案可以在机床中使用，其中使用作为机床标准设置的定位装置来执行加工操作，但对于测量或探测操作(以测量机加工的工件)，机床可以联接至更高精度的定位(计量)装置，例如上述六足计量装置，测量工件，然后与计量装置解除联接以执行额外的加工操作，所有这些操作都在相同的空间内。

本发明的实施例的一般概念可以概括为如图13所示，该图示意性地示出了坐标定位机器，该坐标定位机器具有用于使一些结构围绕工作空间移动的驱动装置和用于确定该结构的位置的定位装置。坐标定位机器可以可移除地联接至一个或多个计量装置，这些计量装置能够提供独立于由坐标定位机器本身的定位装置提供的任何位置信息的位置信息。为了有用，来自一个或多个计量装置的位置信息将比来自坐标定位机器的定位装置的位置信息具有一些优势。例如，如上所述，它可以更准确。或者，可以将特定类型的计量装置与需要控制器的特定工具结合使用，该控制器本身只能理解来自该特定类型的计量装置而不是坐标定位机器标准的定位装置的数据。

模块化概念可以如图14所示进行扩展。除了能够将坐标定位机器可移除地联接至一个或多个计量装置中的任何一个计量装置之外，坐标定位机器还可以可移除地联接至一个或多个工具中的任何一个工具；例如，在图9中所示的实施例中使用了这样的概念。此外，如图15中示意性所示，可以为计量装置提供其自身的工具(参见图15的计量C/工具C)，在这种情况下，计量装置有效地充当“智能工具”，即具有自身专用计量装置的工具；例如，在图2的实施例中使用这样的概念。或者坐标定位机器可以拾取并使用单独的工具并单独联接至计量装置，在这种情况下，计量装置纯粹用于计量；例如，在图9的实施例中使用了这样的概念。

上述机械臂10的定位装置(旋转编码器)使得能够明确地确定工具的位置。这提供了闭环伺服控制系统，其中机械臂10中的电机被命令在特定方向上以特定量驱动各种旋转接头6，以便将机械臂10移动到或朝向新姿态，其中来自编码器的测量值用于确定实际位置的，使得可以相应地调整后续命令。

还可以在本发明的实施例中使用替代地具有开环控制系统(例如使用步进电机)的坐标定位机器，其中每个步进电机被命令移动一定数量的步数，并且校准每一步移动的距离或角度，从而使得能够根据每个步进电机移动的步数确定假定位置。因此，机器的实际位置不是这样测量的，而是从步进计数器和机器几何形状推断出来的。

本文使用的术语“定位装置”旨在涵盖上述两种类型的装置，即用于确定机器位置的装置，无论是直接基于来自一组测量传感器的测量值进行确定还是间接基于例如计数步数进行确定。

还提供了用于控制机械臂(或其他类型的坐标定位机器)的操作的机器控制器。机器控制器可以是专用电子控制系统和/或可以包括在计算机程序的控制下操作的计算机。例如，机器控制器可以包括：实时控制器，该实时控制器用于向坐标定位机提供低级指令；以及PC，其用于操作实时控制器。

将了解的是，坐标定位机的操作可以通过在机器上操作的程序来控制，特别是通过在坐标定位机控制器(比如图1中示意性展示的控制器)上操作的程序来控制。这样的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以例如实施在比如从互联网网站提供的可下载数据信号的信号中。所附权利要求应被解释为覆盖程序本身，或解释为在载体上的记录，或解释为信号，或以任何其他形式解释。

Claims (27)

1.一种制造系统，包括：

坐标定位机器，所述坐标定位机器具有：在所述机器的工作空间内可移动的结构，用于使所述结构围绕所述工作空间移动的驱动装置，以及用于以第一精度确定所述结构在所述工作空间内的位置的定位装置；以及

计量装置，所述机器可移除地可联接至所述计量装置上，使得当所述机器联接至所述计量装置时，随着所述驱动装置使所述结构移动，所述计量装置能够以高于所述第一精度的第二精度测量所述结构的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，当所述机器联接至所述计量装置时，在所述工作空间内限定预定区域，在所述预定区域中，所述计量装置能够以所述第二精度测量所述结构的位置。

3.如权利要求2所述的方法，包括围绕所述工作空间的多个这样的计量装置，从而在所述工作空间内限定多个相对应的相应区域。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述驱动装置包括通过机动接头串联连接的多个区段。

5.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述机器是机械臂。

6.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述定位装置包括串联布置的多个测量换能器，以用于提供相对应的相应多个测量值，所述测量值能够以所述第一精度确定所述结构的位置。

7.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述计量装置包括并联布置的多个测量换能器，以用于提供相对应的相应多个测量值，所述测量值能够以所述第二精度确定所述结构的位置。

8.如权利要求7所述的制造系统，其中，所述计量装置包括六个这样的测量换能器。

9.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述计量装置是六足计量装置。

10.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述机器可操作以在所述机器也联接至所述计量装置的情况下执行以下类型的操作中的至少一种：测量操作、探测操作、机加工操作、夹持操作、钻孔操作、涂装操作、取放操作以及粘合操作。

11.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述机器可联接至至少一个工具，其中所述机器也联接至所述计量装置。

12.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述机器包括联接件，所述联接件使得所述机器能够同时联接至所述至少一个工具和所述计量装置。

13.如权利要求11或12所述的制造系统，其中，所述机器联接至所述至少一个工具。

14.如权利要求11、12或13所述的制造系统，其中，所述至少一个工具包括测量探头、夹具、钻孔工具、焊接工具、粘合工具以及涂装工具中的至少一种。

15.如权利要求11至14中任一项所述的制造系统，其中，至少一个工具被设置为所述计量装置的一体部分，例如作为具有一体式计量装置的所谓“智能工具”。

16.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，在所述机器投入操作使用之前，仅出于校准目的，所述计量装置不联接至所述机器。

17.如权利要求16所述的制造系统，其中，在所述机器的操作使用期间，所述计量装置有效地变成所述机器的一部分。

18.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述联接是物理和/或机械联接。

19.如前述权利要求中任一项所述的制造系统，其中，所述机器和所述计量装置之间的所述联接是运动学或伪运动学联接。

20.一种控制如前述权利要求中任一项所述的制造系统的方法，包括：

在所述机器与所述计量装置解除联接的情况下执行第一操作；

使用所述机器的定位装置在所述第一操作期间确定所述结构的位置；

将所述机器联接至所述计量装置；

在所述机器联接至所述计量装置的情况下执行第二操作；

使用所述计量装置在所述第二操作期间测量所述结构的位置；以及

将所述机器与所述计量装置解除联接。

21.如从属于权利要求2时的权利要求20所述的方法，其中，所述第一操作在所述区域内执行并且所述第二操作在所述区域之外执行。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第一操作包括从另一这样的区域移动所述机器。

23.如权利要求20、21或22所述的方法，其中，所述第二操作包括测量操作、探测操作、机加工操作、钻孔操作以及粘合操作中的至少一项。

24.如权利要求20至23中任一项所述的方法，包括将所述机器在联接至所述计量装置之前联接至所述第二操作所需的工具。

25.如权利要求1至19中任一项所述的制造系统，包括机器控制器，所述机器控制器可操作以执行如权利要求20至24中任一项所述的方法。

26.一种计算机程序，当由制造系统的控制器运行时，所述计算机程序使所述控制器执行如权利要求20至24中任一项所述的方法。

27.一种计算机可读介质，在其中存储有用于控制制造系统控制器以执行如权利要求20至24中任一项所述的方法的计算机程序指令。

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