CN113348416A - 测量系统和与测量系统相关的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量系统(2)，该测量系统被配置成用于确定与涉及移动的设备(4)的工作过程相关的至少一个设备参数，该系统(2)包括处理单元(6)和至少一个测量单元(8)，该测量单元(8)被配置成用于布置在所述设备(4)处并且用于测量与工作过程相关的移动，所述至少一个测量单元(8)包括至少一个传感器构件(10)，至少一个传感器构件(10)被配置成用于至少测量加速度，并且据此产生至少一个传感器信号(12)，并且将所述信号(12)施加到所述处理单元(6)。至少一个测量单元(8)被配置成布置在所述设备(4)处，使得至少一个测量单元(8)，在测量过程期间，在沿环路轨迹的向前和向后两个方向上，在环路(14)中重复地移动，从而展现环路轨迹，并且用于在所述测量过程中执行至少加速度的测量，其中，所述处理单元(6)被配置成用于确定在所述测量的至少加速度中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的至少加速度，以及其中所述处理单元(6)被配置为仅基于所述加速度的一个或多个参数来计算所述至少一个设备参数的测量。

Description

测量系统和与测量系统相关的方法

技术领域

本公开涉及一种测量系统，并且涉及一种与测量系统相关的方法，该测量系统能够确定反映至少一个设备参数的测量，该至少一个设备参数与由设备执行的工作过程移动相关。该测量可以反映例如性能退化、垂直度误差等，并且还可以被应用来改善设备的性能，例如，通过校准或调谐。

背景技术

在许多情况下，工业使用不同类型的机器来移动、处理和制造不同部件。这涉及需要能够按顺序监测这种机器的状态，以便例如能够及时进行维修和调整以避免停工或正在制造的零件的精度的损失。目标是通过测量解决方案来检测机器参数及其变化，该测量解决方案可以集成到机器中并且可以使灵活的测量自动化成为可能。这导致了对于机器参数的可负担得起的定期监测的可能性。这种关于机器状态和能力的更新信息可以支持例如通过防止昂贵的故障来达到更高的效率和资源利用率的决定。

在制造中提高生产率和质量的重要性引起对工业机械的可控性的更高要求。在机床或工业操纵器的情况下，这导致需要将更多的测量系统集成到这样的设备中以及更频繁地实施测量。机床和工业操纵器的轴线使得设备部件能够在这种设备的全局坐标系中相对运动。然而，由于这些设备的例如装配误差、安装或操作使用，实际性能将偏离标称性能。这种偏离取决于时间和操作，因为在该轴线的移动中所涉及的部件由于磨损而退化。这导致设备精度的损失并且可能导致设备故障。集成测量与适当的信号处理和分析一起允许这些设备的先进操作和预测性维护。

当前的实践包括使用特殊仪器，所谓的“球杆仪(ballbar)”，该特殊仪器装配在工件保持器和工具保持器之间来测试机器执行圆周运动的能力。仪器中的测量装备用于记录与圆的偏差。可以在不同的时间示例执行各种这样的测试，并且可以将结果进行比较以提供关于各种机器参数的信息，诸如圆度、伺服响应、直线性、游隙等。测试也可以以各种进给速率、以各种进给方向和使用各种长度的杆进行，并将工件保持器放置在系统工作空间中的各种不同位置。然而，仍然存在不灵活和不可能使测量自动化的缺点。

欧洲专利EP-3059548涉及一种用于确定机械装置的机器参数的方法，在该机械装置中，第一元件和第二元件是以可设定的移动模式相互可移动的。通过确定标称移动路径与实际移动路径之间的差异，可以确定指示机械装置的状况的机器参数。

US-2018/094946是公开了相关背景技术的另一个专利文献，并且涉及一种惯性测量单元(IMU)，该惯性测量单元确定线性轴的性能退化并且包括加速度计，当该加速度计布置在包括运动构件和基部构件的线性轴的运动构件上时来测量运动构件的加速度，以及响应于运动构件的移动提供运动构件的位移。惯性测量单元还包括速率陀螺仪，该速率陀螺仪测量运动构件的运动的角速率；以及响应于运动构件的移动为运动构件提供屈服角，其中位移和屈服角基于运动构件沿着基部构件的线性移动的误差来确定线性轴的性能退化。

US-8401691提供了一种动态测量方法和系统，该动态测量方法和系统用于使用一个或更多个激光干涉仪和MEMS加速计来周期性地确定机器和工具中的一个或更多个相对于工件的实际位置。

US-9144869涉及一种机器运动轨迹测量装置，包括加速度计，该加速度计用于测量在控制机器位置的设备中使用的机器的运动轨迹。

US-5834623涉及在数控机床中提供角误差的高精度周期性校准的设备和方法。

US-2018/0133860涉及一种包括三轴加速度传感器的运动轨迹测量设备，该三轴加速度传感器测量运动轨迹测量对象的加速度并且将结果作为加速度传感器信号输出。

当应用于特定环境中时，目前已知的解决方案经常被证明是相当令人满意的结果，然而，仍然存在用于实现更自动化、稳健和经济的解决方案的空间。这些已知方法对于传感器相对于轴线运动方向、相对于机器的坐标系或相对于彼此(如果存在多于一个传感器)的未对准是敏感的。对准中的不确定性是使用加速度计进行精确的运动轨迹测量的重要障碍之一。此外，在这些已知解决方案中的一些解决方案中，也需要来自机器的位置信号以便执行计算。

本发明的目的是实现具有改进的和新颖能力的测量系统，以及涉及该测量系统的方法，其中，该改进在于更高的精度、稳健性和用户友好性以及更广泛的应用范围，例如，与当前应用的系统和方法相比，用于性能退化的识别和监测、错误检测、操作行为的改变以及校准和监测。

发明内容

通过根据独立权利要求的本发明实现或至少缓解了上述目的。

在从属权利要求中阐述了优选实施例。

根据第一方面，本发明涉及一种测量系统(2)，该测量系统(2)被配置成用于确定与涉及移动的设备(4)的工作过程相关的至少一个设备参数，该系统(2)包括处理单元(6)和至少一个测量单元(8)，该测量单元被配置成用于布置在所述设备(4)处并且用于测量与工作过程相关的移动。至少一个测量单元(8)包括至少一个传感器构件(10)，至少一个传感器构件被配置成用于至少测量加速度，并且用于根据测量的加速度产生至少一个传感器信号(12)，并且用于将所述信号(12)施加至所述处理单元(6)。此外，至少一个测量单元(8)被配置成布置在所述设备(4)处，使得至少一个测量单元(8)，在测量过程期间，在沿着环路轨迹(14)的向前和向后两个方向上在环路(14)中重复地移动，从而展现环路轨迹，并且用于在所述测量过程中执行至少加速度的测量，其中，所述处理单元(6)被配置成用于确定在所述测量的至少加速度中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的至少加速度，其中，所述处理单元(6)被配置为仅基于所述加速度的一个或多个参数来计算所述至少一个设备参数的测量。

根据第二方面，本发明涉及一种与测量系统(2)相关的方法，该测量系统被配置成用于确定与涉及移动的设备(4)的工作过程相关的至少一个设备参数。

该方法包括：

-将包括至少一个传感器构件(10)的至少一个测量单元(8)布置在所述设备(4)处；

-通过至少测量加速度来测量与工作过程相关的移动，以及

-据此产生至少一个传感器信号(12)，并且将所述信号(12)施加到处理单元(6)，

在所述设备(4)处布置所述测量单元的方法步骤包括：布置测量单元，使得在测量过程期间至少一个测量单元(8)沿环路轨迹(14)在向前和向后两个方向上在环路(14)中重复地移动，以展现环路轨迹。

该方法还包括：

-在所述测量过程期间执行至少加速度的测量，

-确定在所述测量的至少加速度中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的至少加速度，以及

-仅基于所述加速度的一个或多个参数来计算所述至少一个设备参数的测量。

根据本发明的测量系统和相关方法与目前应用的技术相比具有许多优点，这些优点中的一些在下面列出。

当实施本文所公开的测量系统时，在测量参数的选择中表现有高水平的灵活性，例如：特征化的范围、环路轨迹的形状、使用的速度、重复次数、具有较低精度要求的传感器，即可以使用更便宜的传感器。

由于利用环路运动的应用方法的有利组成，可以补偿与传感器-设备坐标系统或传感器-传感器之间的对准有关的重要参数。以此方式，传感器读数的准确度可以显著地提高并且可以达到机器参数的增强的测量。

测量单元可以集成到设备中，例如集成到机床中。

测量系统一般不仅可以应用(和嵌入)于机床，而且还可以应用于工业机器人。

如果集成到装备中，则受过训练的专业人员执行测量过程是有限的或不需要的，因为该实施可以被自动化。

测量单元可以独立于被测量设备的移动控制器来使用。

测量系统的成本低于目前使用的装备，例如基于激光的装备。

该方法可以用于测量装备的至少两个线性或至少一个旋转轴或接头的同步运动。

测量在选择重复次数上是灵活的。从快速时间有效的测量，以少的重复次数，可以用增加的重复次数进行更详细的和精确的测量。这可以节省机器在生产中的重要停机时间。

该测量过程类似于机床或工业操纵器的典型的预热循环，因此它可以直接利用这些机器的预热循环。

在许多情况下，在生产中存在更小或更大的事件或事故，并且快速检查可以帮助确定生产是否可以重新开始。

附图说明

图1是示出根据本发明的测量系统的示意性框图。

图2示出了本发明的一个实施例的各种方面。

图3是实施本发明的工业操纵器的立体图。

图4示出了展示在一个实施例的一个示例性图示中在沿着环路轨迹移动期间的位置变化的图解。

图5示出了环路轨迹的2D形状的各种示例。

图6示出了环路轨迹的3D形状的各种示例。

图7是根据本发明的方法的示意性流程图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述测量系统以及方法。贯穿附图，相同或相似的项目具有相同的参考符号。此外，这些项目和附图不一定是按比例的，而是将重点放在展示本发明的原理上。

参见图1所示的示意图，提供了测量系统2。该测量系统被配置成用于确定与涉及移动的设备4的工作过程相关的至少一个设备参数。

设备4可以是能够执行涉及移动的工作过程的机器、机床、生产装备、工业机器人等。

系统2包括处理单元6和至少一个测量单元8。至少一个测量单元8被配置成布置在设备4处并且测量与工作过程相关的移动。

该至少一个测量单元8包括至少一个传感器构件10，该至少一个传感器构件10被配置成用于至少测量加速度以及取决于加速度来产生至少一个传感器信号12并且将信号12施加至处理单元6。

处理单元和至少一个测量单元被配置为经由线缆或无线地彼此通信。该单元提供有支持所使用的通信类型的通信能力，例如，短程射频通信，例如蓝牙，如果应用无线通信的话。处理单元可以由一个单个单元实施或者可以包括许多分散子单元，并且具有必要的处理性能和存储能力以执行关于系统旨在操作的特定应用所需的所有计算、通信等。作为示例，一个子单元可被提供用于数据获取目的，而另一子单元用于执行计算和处理。

至少一个测量单元8被配置为布置在所述设备4处，使得至少一个测量单元8，在测量过程期间，在环路14中重复地移动，在沿着环路轨迹14的向前和向后的两个方向上，展现环路轨迹，该环路轨迹在所展示的示例中是圆，以及该至少一个测量单元8在测量过程期间执行至少加速度的测量。处理单元6优选地被配置成用于产生有待应用于该设备的测量起始信号16，以便指示该设备执行与测量过程相关的移动，即，指示设备的控制器生成相关控制指令并将其应用于设备的各个部分以执行与测量过程相关的移动。根据另一个变体，设备4可以被配置成用于产生有待施加到处理单元6的测量起始信号16，以便指示处理单元6发起设备4的所执行的移动的测量。在又另一个变体中，与测量过程有关的各种信息可以在测量单元8与处理单元6之间交换。这些可选信号16由图1中的虚线指示。

环路通常被定义为具有环路轨迹，该环路轨迹具有围绕其自身弯曲并穿过其自身的形状。在一个实施例中，该环路是圆形或椭圆形。环路轨迹形状的其他示例是：矩形、正方形和更复杂的环路轨迹等。

由环路轨迹限定的环路具有二维或三维形状。在图5和图6中示出了2D或3D形状的环路的各个示例。

在测量过程期间，并且因此在测量单元沿着环路轨迹和围绕环路轨迹的重复移动期间，测量单元的取向可以是相同的，例如在测量同步的线性轴的情况下，测量单元的取向或者可以改变，例如在测量旋转轴的情况下。

在测量过程期间，测量单元刚性地安装到设备。

处理单元6被配置成用于确定在至少一个测量单元8的所测量的至少加速度中指示的工作过程移动的至少一个设备参数，并且仅基于测量的至少加速度，并且处理单元6被配置为仅基于加速度的一个或更多个参数来计算至少一个设备参数的测量。

测量单元可以被布置在箱子中，该箱子提供有用于将箱子附接至设备的附接装置。在一个变体中，箱子还可以包括处理单元，即，箱子是能够执行所有必要的测量和计算的自足单元，并且还提供有例如电池的能量供应。

因此，在测量过程期间，至少一个测量单元8沿着环路轨迹14在向前和向后两个方向上重复地移动。重复移动的次数可以自然地变化，但是更高的重复次数将增加测量的准确度。在一个变体中，一个测量过程包括随后执行的近似相同的预定数量的前向和后向循环。

根据一个实施例，处理单元6被配置成用于基于运动分量来确定工作过程移动的至少一个设备参数，例如环路移动中的偏差和/或误差。

设备参数包括设备的性能不足、退化(例如，设备部件上的磨损和腐蚀)、校准参数、几何误差(例如，垂直度、直线度等)、热变形、惯性负载引起的变形或运动控制误差(伺服失配等)。

在另一实施例中，至少一个传感器构件10还被配置为测量角速率，并且根据角速率产生至少一个传感器信号12，并且将所述至少一个传感器信号12施加至处理单元6。在测量过程期间，至少一个测量单元8被配置为在测量过程期间执行角速率和加速度的测量。然后，处理单元6被配置成用于确定在测量单元8的所测量的加速度和所测量的角速率中指示的工作过程移动的至少一个设备参数，并且仅基于所测量的加速度和所述所测量的角速率。处理单元6被配置为仅基于加速度和角速率中的一个或多个参数来计算至少一个设备参数的测量。

在一个有利实施例中，传感器构件10包括三轴加速度测量装置和三轴角速率测量装置，例如三轴陀螺仪，用于沿着环路轨迹提供六个自由度信息。

优选地，加速度的一个或多个参数(并且如果适用的话还有角速率的一个或多个参数)是从所述传感器构件的至少两个轴获取的信号之间的相移。幅值和/或频率也可以从仅一个传感器构件使用。

由于已经执行了围绕环路的向前和向后运动，因此加速度信号以及如果适用的话还有角速率信号包括来自重复运动的向前和向后数据集。处理单元然后被配置为通过对输入的加速度信号进行预处理，并且如果适用的话还通过对角速率信号进行预处理来执行计算，然后翻转前向和后向数据集之一以匹配两个数据集的相应位置。通过匹配数据集，可以补偿传感器构件相对于设备轴以及相对于另外的传感器构件的对准。

设备轴的环路运动在沿着环路运动的标称恒定速度上实现。标称恒定速度是作为处理单元6的命令输入的速度。由于轴方向的快速变化，瞬时振动可影响环路运动。尽管这些振动也可以归因于设备参数，但是它们的影响可以通过选择环路的形状和/或选择标称速度来处理。

在一个实施例中，为了增加测量的精度，测量过程可以在不同的速度上实施，并且还可以利用不同的滤波来突出与标称环路运动的偏差的相应空间频率的影响。

重力矢量的倾斜项可以被补偿以便提高测量的精度，尤其是在考虑与传感器信号的幅值相关的设备参数的情况下。由于沿环路运动的位置相关的倾斜，加速度信号可能受到重力矢量的倾斜的影响。倾斜影响可以例如通过应用不同速度来补偿。

可以对原始数据应用滤波，以便考虑沿着环路运动轨迹的相关空间频率。可以应用各种保相滤波器(例如低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器)来突出与研究更相关的设备参数。为滤波器选择的频率还与所实施得环路运动选择的速度相关。

在一个实施例中，处理单元6被配置成用于通过应用与环路类型相适配的预定拟合技术和误差对测量加速度的影响的建模来执行计算，从而将拟合连接至实际设备参数。如果该环路是圆形的，则优选地应用正弦波拟合技术来确定指示设备参数的频率和/或幅值和/或相位和/或相位差。

在另一实施例中，处理单元6被配置为通过传感器信号12的积分来执行计算以获得用于表征设备参数的位移，并且其中，针对加速度执行两次积分，并且如果适用，针对角速度执行一次积分。

图3是示出测量单元8在工业操纵器上或工业操纵器内的各种安装位置的立体图。测量单元可以安装在或集成到工业操纵器的轴上；测量单元可以安装在工业操纵器的接头和/或连接件上或集成到其中；测量单元可以安装在工业操纵器的端部执行器上或集成到其中，和/或在工业操纵器的机械接口上或集成到其中。其他安装位置自然是可能的，例如在由端部执行器保持的物体上。

图4示出了针对一次运行实施测量的操作顺序的一个示例性说明的示意图。对于标称速度阶段中的所命令的环路轨迹，实施所命令的环路轨迹的至少一次重复。在这个示例中，环路是在图的顶部示出的圆，其中指示了位置A-D。在一个变体中，在不停止所命令的运动的情况下，可以实施所命令的环路轨迹的若干重复。为了增加测量的精度，可以重复一次运行若干次。为了消除过渡阶段的影响，可以应用过冲，该过冲在示例性操作的情况下被调整为圆形轨迹的一半。

还可以在多于一个的速度级别和不同的标称速度级别上实施运行。在该图解中，Y轴指示沿着环路轨迹的标称行进距离。

图5示出了环路轨迹的2D形状的各种示例；例如，包括更平滑轨迹的环路示例，以及需要轴移动的突然改变的环路示例。

图6示出了从不同视图显示的环路轨迹的3D形状的各种示例。包括更平滑轨迹的环路示例以及需要轴移动的突然改变的示例。

本发明还涉及一种与测量系统2相关的方法，测量系统2被配置成用于确定与涉及移动的设备4的工作过程相关的至少一个设备参数。上面已经详细描述了该测量系统，并且在本文中参考该描述。

现在将参考图7所示的流程图来描述该方法。

由此，该方法包括：

-将包括至少一个传感器构件10的至少一个测量单元8布置在所述设备4处；

-通过测量至少加速度来测量与该工作过程相关的运动，以及

-据此产生至少一个传感器信号12，并且将所述信号12施加到处理单元6。

在设备4处布置测量单元的方法步骤包括：布置测量单元，使得在测量过程期间，至少一个测量单元8在环路14中重复地移动，沿着环路轨迹14在向前和向后两个方向上展现环路轨迹，该方法进一步包括：

-在测量过程期间执行至少加速度的测量，

-确定在所述至少一个测量单元8的所述测量的至少加速度中指示的工作过程移动的至少一个设备参数，并且仅基于测量的至少加速度，以及

-仅基于所述加速度的一个或多个参数来计算至少一个设备参数的测量。

环路通常被定义为具有环路轨迹，该环路轨迹具有围绕其自身弯曲并穿过其自身的形状。在一个实施例中，该环路是圆形或椭圆形。环路轨迹形状的其他示例是：矩形、正方形等。

因此，该方法包括在测量过程期间沿着环路轨迹14在向前和向后两个方向上重复地移动测量单元。优选地，一个测量过程包括随后执行基本相同的预定数量的前向和后向循环。

根据一个实施例，该方法包括控制测量单元沿着环路的移动，使得沿着环路运动保持标称恒定速度。

根据另一实施例，该方法包括：

-在测量过程期间由至少一个传感器构件10还测量角速率，据此产生至少一个传感器信号12，并且将至少一个传感器信号12施加到处理单元6，该方法进一步包括：

-确定在所测量的加速度和所测量的角速率中指示的工作过程移动的至少一个设备参数，以及

-仅基于所述加速度和所述角速率的一个或多个参数计算所述至少一个设备参数的测量。

根据另一实施例，传感器构件10包括三轴加速度测量装置和三轴角速率测量装置，例如三轴陀螺仪，并且该方法此外包括沿着环路轨迹提供六个自由度信息。

该方法优选地还包括执行加速度信号的预处理操作，并且如果适用，还包括角速率信号的预处理操作。信号包括来自重复移动的前向和后向数据集，并且对输入加速度信号的预处理以及如果适用的话还有角速率信号的预处理，包括翻转前向和后向数据集之一以匹配这两个数据集的相应位置。

在一个实施例中，该方法包括通过应用适配于环路类型的预定拟合技术和误差对测量加速度的影响的建模来执行计算以将拟合连接至实际设备参数。如果环路是圆形的，则优选地应用正弦波拟合技术来确定指示设备参数(例如，垂直度)的频率和/或幅值和/或相位差。

举例来讲，该方法还可以包括通过对传感器信号进行积分来执行计算以便获得位移以表征设备参数，并且其中，针对加速度执行两次积分，并且如果适用的话，针对角速率执行一次积分。

为了进一步展示测量系统和方法的优点，并且通过示例的方式，下文将公开基于IMU(惯性测量单元)和基于环路(例如，圆形或椭圆形)的测量系统和方法的方法学、实验、数据分析以及确认和验证。

所公开的系统和方法使得能够在工业条件下稳健地识别设备参数及其在时间上的变化或退化，例如垂直度。主要步骤包括针对下列情况的运动分量(包括位置、速度和加速度)的可选仿真：标称情况和受误差影响的情况两者——部分(a)、测试和测量数据的预处理的实施——部分(b)，以及数据分析以便确定设备参数如何，例如垂直度——部分(c)。测量系统的进一步测试和实际使用仅需要实施部分(b)和部分(c)。

在示例性示例中，由两条线性轴生成的圆周运动可以遵循利萨约斯(Lissajous)公式被建模为复谐波运动(complex harmonic motion)。沿着圆周轨迹在X和Y方向上(a_x和a_y)的理想加速度可以用参数等式来描述：

(t)＝A_x·cos(ω_xt-θ_x)+C_y·cos(ω_yt+π/2-θ_y) (1)

(t)＝A_y·cos(ω_yt+π/2-θ_y)+C_x·cos(ω_xt-θ_x) (2)

在以上等式中，A_x和A_y是幅值，ω_x和ω_y是频率，以及θ_x和θ_y分别是X和Y方向的相移。项C_x和C_y是由传感器轴线与机器轴平均运动之间的未对准引起的振动幅值，传感器轴线与机器轴平均运动之间的未对准可以由ε_c表示。振动幅值与传感器未对准之间的关系在等式3中描述。应注意的是，该平均轴运动不是先验已知的。

对于给定的半径和进给速度，可以计算位置、速度和加速度，包括ω_x和ω_y频率以及A_x和A_y加速度幅值。然后，考虑三个主要误差源的影响，包括：

i)ε_c，由于设置不准确性(其确定C_x和C_y)引起的机床轴与传感器轴线之间的未对准，

ii)ES_COX，传感器轴线的垂直度

iii)E_COX，机床平均轴的垂直度

传统上讲，齐次变换矩阵(HTM)用于表示这些误差源对命令位置的影响。考虑到编程的进给速度，时间相关的标称位置被用作HTMs的输入以计算相应的时间相关的实际位置。通过微分，可以得到对准误差对时间相关的加速度的影响。所计算的加速度可以与等式1和等式2中的幅值和相移参数相关。将等式3插入到等式1和等式2中产生了取决于ε_c未对准的X加速度和Y加速度的表达式。幅值的这种关系还可以通过基于时间的HTM来确认。运动轨迹的这种模拟和不同设备参数对传感器信号的影响也可以在不同环路轨迹的情况下模拟。

在圆形环路轨迹的情况下，垂直度误差产生针对a_x(t)和a_y(t)的两个正弦曲线，这两个正弦曲线之间具有相位差。这证实了与利萨约斯曲线的类比，其中变化的相移改变了所得椭圆的纵横比。“圆形”位置轨迹的椭圆形状被广泛接受为两个线性轴之间的垂直度误差的可量化特性。

模拟的重要含义是相移归因于E_COX和E_SCOX(其中X和Y是右手笛卡尔坐标系的方向)：

E_COX+ES_COX＝θ_y-θ_x (4)

限制在于机床与传感器轴线垂直度的分离是困难的。然而，通过沿环路轨迹向前和向后的方向的应用，在翻转数据集以匹配对应位置后可确定ES_COX。由此，也可以确定E_COX。此外，发现对于给定的对准过程而言现实的未对准ε_c的模拟量对相移的影响可忽略不计。这有助于使加速度信号的相移能够成为垂直度的可靠指标。然而，同时，未对准ε_c显著影响传感器幅值。因此，在基于幅值的研究的情况下，重要的步骤是未对准的确定和补偿。必须实施与原始数据的滤波和加速度运动分量参数的适当拟合相关的重要步骤来检测θ_x和θ_y的值。

这个示例示出了在具有圆形形状的环路的情况下该方法的实施，并且所考虑的传感器参数是两个传感器构件之间的相移。

实验

在工业条件下在具有X：1000mm、Y：510mm和Z：561mm的轴线横向范围的三轴机床上进行测试。该机器的运动链是[t-(C)-Z-b-Y′-X′-w]，其中X轴和Y轴被堆叠以表示工作台的运动。

通过机械地改变X(上)轴和Y(下)轴之间的关系诱导六个级别的垂直度，包括参照系。如下执行改变和测量垂直度的过程：

(1)机械地松开连接X轴和Y轴托架的螺栓；

(2)施加外部负载以将X轴推出其相对于Y的取向，同时保持Y轴固定；

(3)用扭矩扳手拧紧螺栓，以及

(4)用方形块和伸缩式双球杆仪(DBB)测量诱导的垂直度。方形块和DBB数据用于确认和验证目的。

在实验中——对于代表圆的环路轨迹——定义了机器轴的垂直度和传感器构件相对于机器轴的未对准两者。这使得能够考虑和研究传感器信号的幅值以及在对信号进行必要的积分之后以产生来自标称环路轨迹的位移，该位移归因于进一步的机器参数。

确认和验证

两种标准化测量方法用于确认和验证目的。方形块用于增加对机械误差诱导的控制，并且DBB被选择为第二仪器，因为它能够在与所执行的基于加速度计的测试(相同的圆形半径和进给半径)类似的条件下测量。在误差诱发之前和之后均实施了十次重复测量，并且还研究了机器的升温对垂直度的影响，并且发现该影响可忽略不计。

在基于IMU的循环测试的结果和两个标准化测试的结果之间存在显著一致性。由此，所引入的方法能够识别用传统测量方法验证的垂直度值。基于IMU的结果的类型A标准不确定性是收敛的结果(对于155次运行)。确认和验证受到方法原理的差异的限制。

所公开的示例性方法学的结论和讨论

多轴机床的垂直度与机加工部件的质量直接相关。本文公开了一种用于测量机床轴之间的垂直度的新颖方法。该过程基于惯性测量，其中三轴加速度计数据被收集，而传感器沿着由两个堆叠的线性轴的同步运动执行的圆形轨迹移动。该方法学包括测量数据的预处理和数据分析以确定两个线性轴的垂直度，以及传感器构件相对于机器轴和相对于彼此的对准。

通过比较由基于IMU的方法量化的垂直度值与来自传统的方形块和伸缩式球杆仪的垂直度值，所公开的方法在三轴机床的工业条件下被实验确认和验证。结果得到很好的证实。测量量的平均值的收敛可以用所引入的方法达到。由于IMU可以集成在机床内(消除对设置时间的需要)，并且它可以作为预热循环直接应用，可以节省宝贵的生产时间。

所提出的传感器在先进生产设备中的集成可以促进测量自动化朝向机床的自诊断概念的发展。通过在机床控制器中集成数据采集和分析，可以通过定期在线测量监测各种机器参数来执行对过程规划和维护优化的补偿。

图2概述了本发明的一个实施例的方面，其中机床的两个轴使IMU以标称圆形运动移动(步骤1)顺时针(CW)和逆时针(CCW)循环的N个数目。处理来自IMU的加速度数据(步骤2-步骤5)以随时间产生垂直度，消除了对双重积分的需要。所产生的垂直度可进一步与阈值一起使用，以警告制造商机床性能退化(步骤6)。

现在将通过下面包括的示例来进一步展示测量系统的各个方面。

示例1

根据一个展示示例，该测量系统包括具有三轴加速度计的传感器箱子(作为测量单元)、用于传感器箱子的安装件以及数据采集单元(传感器箱子的组成部分或是外部单元)。传感器的选择对于降低测量不确定性是至关重要的。所选择的加速度计具有0-300Hz(对应于半功率点)的带宽、2000mV/g的标称灵敏度和7μg rms/√Hz的噪声输出。交叉轴灵敏度的最大值是3％，其定义垂直度ES_COX的上限估计。传感器箱子(包括加速度计)被夹持在X轴和Y轴的中间并且沿着工作台的T形槽粗略地对准。在通过两个线性轴的同步运动执行圆形轨迹的同时收集传感器数据。圆形轨迹包括随后执行的重复的逆时针(CCW)和顺时针(CW)方向。对于六级垂直度中的每一级，收集155次运行的加速度数据，每一次运行由30次循环(15次CCW和15次CW循环)组成。为了具有稳定的测量条件，在每个CCW或CW运动的开始和结束处实施180°过冲。这种最小化的瞬态振动用于重复循环的足够的动态稳定性。此外，在CCW和CW方向之前和之后，在相同位置处命令静止期，其可以用于零偏移和漂移补偿。

可以为测量过程选择各种半径和进给速率。然而，重要的是为了使信噪比最大化，期望更高的速度(产生更高的加速度)。同时，机器应该能够在具有稳定性并且不受惯性力的显著影响的情况下执行轨迹。对于本文公开的测试，选择0.1m的标称半径和0.1m/s(或6000mm/min)的进给。

示例2

在下文中，将公开测量过程，并且具体地公开通过根据本发明的一个实施例的测量系统如何执行计算。

首先对所测量的加速度进行预处理，以便准备用于拟合谐波运动分量并且确定所拟合的X加速度与Y加速度之间的相移的数据集。预处理开始于原始数据的滤波，这对于检测与垂直度误差相关的空间频率是必要的。使用一阶低通巴特沃斯(Butterworth)滤波器(零相位)，其中截止频率为4Hz。截止频率被选择为足够高以便合理地捕获垂直度，但是足够低以防止输出量对其他空间频率的敏感性。换言之，通过分析高于1Hz的截止频率期间的迭代选择4Hz，该截止频率大于大约0.167Hz的基本运动频率。预处理中的最后一个步骤是在每次运行中实施的重复的圆形轨迹的分割。在分割之后，可以在信号的相移没有任何变化的情况下研究所获取的信号，但同时最小化漂移的影响。当比较来自较长时间间隔的数据时，漂移发生。漂移是选择更高测试速度以减少测试时间的重要优化标准。

在预处理之后，比较CW和CCW数据以消除伺服控制器失配(mismatch)的影响。然而，在此之前，必须翻转CW数据集以便将相应位置与CCW(正)方向匹配。由于伺服失配具有与圆形轨迹上的垂直度类似的失真效应，因此CW和CCW数据的获取对于分离不同的源是必要的。在下一步骤中，根据等式1和等式2中定义的运动分量参数用附加常数项拟合加速度数据。在两个步骤中实施拟合以便产生θ_x、θ_y和C_y、C_x量。首先，等式1和等式2的第一项被拟合到具有已知频率(0.167Hz)的滤波测量数据以求解A_x、A_y、θ_x和θ_y。第二，等式1和等式2的第二项被拟合至先前拟合的残差并且确定C_y和C_x。通过等式3已知的幅值，可以推导出ε_c的平均值(在本实验中该平均值被识别为2.1)。

正弦波拟合技术被认为是用于相位差测量的最强大的工具之一。对于两个拟合，使用双平方权重应用最小二乘法。稳健拟合的应用是重要的，因为峰值(由于轴的反转)可以影响结果。然而，必须注意的是，包括在拟合与预处理的数据之间的残差中的这些峰值可以表征重要的另外的机器参数。组合的拟合策略是优化的结果，该优化是通过经由不同的拟合策略观察测试数据的平均值和标准差的收敛来实施的。对于每次运行，计算重复循环的平均值。利用这种方法，避免了对时间相关位置的双重积分，这具有减少垂直度量化期间噪声的影响的重要优点。然而，需要双重积分来研究环路轨迹中的角位移或平移位移，这归因于进一步的设备参数，例如机器参数(诸如机器的几何误差、所涉及的轴或部件的退化等)。

随着运行次数的增加平均值的收敛是必要的，以便改进所表征的机器参数的质量并且还便于评估所实施的拟合的质量。

可通过补偿传感器构件中的热变形来进一步减小测试不确定性。在开始测量的情况下，传感器的电子器件产生热量，从而导致热变形以及两个传感器轴(ES_COX)之间的垂直度的轻微变化。这影响机器参数的表征。这种现象可以通过在测量之前适当地预热传感器本身和/或通过补偿来减少。

示例3

测量单元包括三轴加速度计和三轴速率陀螺仪。传感器可以布置在密封的小型传感器箱子中，以保护不受工业环境(例如，切削液和切屑)影响。传感器是接线的，这样密封的电线从箱子中出来并且将传感器连接到处理单元，即具有存储器和处理器的数据采集单元。或者，测量单元无线连接到处理单元，或直接连接到设备控制系统或任何线路控制系统。来自这个单元的数据与服务器共享，其中原始传感器数据被处理以获得必要的机器参数。传感器箱子安装在机器(或机械臂的端部执行器)的移动的旋转轴或线性轴上，并且该设置从该刚性连接可以流式传输数据。

传感器箱子可以嵌入在机器的功能部件下方(例如，在工作台下方的机床的情况下)，因此它将不会干扰系统的主要功能，并且它可以用作外部单元并且仅在测量过程中将其放置在装备上。该解决方案的核心部分之一是在软件中实现的对所获取的数据的处理和分析。

根据该方法的一个实施例，执行以下过程：保持空转(所有机器轴都停止)、开始并且在向前方向上重复环路运动若干次、然后停止并且再次保持空转几秒、然后在向后方向上实施重复环路运动若干次并且再次空转。测量过程的保持空转阶段可以用于零偏移补偿和/或保持空转阶段之间的漂移的影响的补偿。通常，所实施的环路可以是圆形，其可以具有不同的半径和不同的标称速度。

传感器的轴或轴线应该尽可能地与机器的相应轴线大致对齐。然而，组合过程能够补偿传感器构件的未对准。这通常适用于本文公开的所有实施例。当加速度计在三维中测量加速度(然后将其积分到速度，将速度积分到位移)时，速率陀螺仪测量角速率(然后将其积分到角位移)。

实现该效果的必要特征是，被测装备/机器的可重复性必须在可接受的范围内；假设的是装备粗略地反复地实施相同的轨迹。

必须小心地选择传感器的灵敏度、噪声级和偏置。

本发明不限于上述优选实施例。可使用各种替代、修改和等效物。因此，以上实施例不应视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书定义。

Claims (14)

1.一种测量系统(2)，所述测量系统(2)被配置成用于确定与涉及移动的设备(4)的工作过程相关的至少一个设备参数，所述系统(2)包括处理单元(6)和至少一个测量单元(8)，所述测量单元(8)被配置成用于布置在所述设备(4)处并且用于测量与所述工作过程相关的移动，所述至少一个测量单元(8)包括至少一个传感器构件(10)，所述至少一个传感器构件(10)被配置成用于测量至少加速度，并且根据测量的加速度产生至少一个传感器信号(12)，并且将所述信号(12)施加到所述处理单元(6)，

其特征在于，所述至少一个测量单元(8)被配置成布置在所述设备(4)处，使得所述至少一个测量单元(8)，在测量过程期间，在沿着环路轨迹(14)的向前和向后两个方向上，在环路(14)中重复地移动，从而展现环路轨迹，并且用于在所述测量过程中执行至少加速度的测量，

其中，所述处理单元(6)被配置成用于确定在所述测量的至少加速度中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的至少加速度，以及其中所述处理单元(6)被配置为仅基于所述加速度的一个或多个参数来计算所述至少一个设备参数的测量。

2.根据权利要求1所述的测量系统(2)，其中，所述测量单元沿着所述环路的移动使得沿着所述环路运动命令恒定标称速度。

3.根据权利要求1或2所述的测量系统(2)，其中所述处理单元(6)被配置成基于环路移动中的例如偏差和/或误差的运动分量来确定工作过程移动的所述至少一个设备参数。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测量系统(2)，其中所述至少一个传感器构件(10)还被配置成用于测量角速率，并且根据角速率产生至少一个传感器信号(12)，并且将所述至少一个传感器信号(12)施加到所述处理单元(6)，其中，所述至少一个测量单元(8)在测量过程期间被配置为在所述测量过程期间执行角速率的测量，并且其中，所述处理单元(6)被配置成用于确定在所述测量单元(8)的所述测量的加速度和所述测量的角速率中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的加速度和所述测量的角速率，并且其中所述处理单元(6)被配置成仅基于所述加速度和所述角速率中的一个或多个参数来计算所述至少一个设备参数的测量。

5.根据权利要求4所述的测量系统(2)，其中所述传感器构件(10)包括例如三轴加速度计的三轴加速度测量装置和例如三轴陀螺仪的三轴角速率测量装置，以便沿着环路轨迹提供六个自由度信息。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的测量系统(2)，其中所述加速度的所述一个或多个参数，并且如果适用的话还有角速率的一个或多个参数，是从所述传感器构件的至少两个轴线获取的信号之间的相移。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的测量系统(2)，其中，所述环路轨迹具有围绕自身弯曲并且与穿过自身的形状，例如圆形或椭圆形。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量系统(2)，其中，所述处理单元(6)被配置成用于通过应用被适配于环路类型的预定拟合技术以及误差对所测量的加速度的影响进行建模来执行所述计算，以便将所述拟合连接至实际设备参数，并且如果所述环路是圆形的，则应用正弦波拟合技术来确定指示设备参数(例如，垂直度)的频率和/或幅值和/或相位差。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的测量系统(2)，其中所述处理单元(6)被配置成通过对所述传感器信号(12)进行积分来执行所述计算以便获得位移以表征所述设备参数，并且其中针对加速度执行两次积分，并且如果适用的话，针对角速率执行一次积分。

10.一种与测量系统(2)相关的方法，所述测量系统被配置成用于确定与涉及移动的设备(4)的工作过程相关的至少一个设备参数，所述方法包括：

-将包括至少一个传感器构件(10)的至少一个测量单元(8)布置在所述设备(4)处；

-通过测量至少加速度来测量与所述工作过程相关的移动，以及

-据此产生至少一个传感器信号(12)，并且将所述信号(12)施加到处理单元(6)，

其特征在于，在所述设备(4)处布置所述测量单元的所述方法步骤包括布置所述测量单元，使得在测量过程期间所述至少一个测量单元(8)沿环路轨迹(14)在向前和向后两个方向上在环路(14)中重复地移动，以展现环路轨迹，所述方法进一步包括：

-在所述测量过程期间执行至少加速度的测量，

-确定在所述测量的至少加速度中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的至少加速度，以及

-仅基于所述加速度的一个或多个参数来计算所述至少一个设备参数的测量。

11.根据权利要求10所述的方法，包括控制所述测量单元沿着所述环路的移动，使得沿着所述环路运动命令恒定标称速度。

12.根据权利要求10或11所述的方法，包括：

-在所述测量过程期间由所述至少一个传感器构件(10)还测量角速率，根据测量的角速度产生至少一个传感器信号(12)，并且将所述至少一个传感器信号(12)应用于所述处理单元(6)，所述方法进一步包括：

-确定在所述测量的加速度和所述测量的角速率中指示的工作过程移动的所述至少一个设备参数，并且仅基于所述测量的至少加速度和所述测量的角速率，以及

-仅基于所述加速度和所述角速率的一个或多个参数计算所述至少一个设备参数的测量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述传感器构件(10)包括例如三轴加速度计的三轴加速度测量装置和例如三轴陀螺仪的三轴角速率测量装置，并且所述方法包括沿所述环路轨迹提供六个自由度信息。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，包括通过应用适配于环路类型的预定拟合技术和误差对所测量的加速度的影响的建模来执行所述计算以将所述拟合连接至实际设备参数，并且如果所述环路是圆形的，则应用正弦波拟合技术来确定指示设备参数(例如，垂直度)的频率和/或幅值和/或相位差。

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