CN114076581A - 旋转工作台补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋转工作台补偿。公开了CMM系统及其校准方法以及计算机程序产品。该系统包括CMM、旋转工作台和旋转装置。CMM系统配置为通过确定夹具的6自由度姿态而被校准。夹具可安装到旋转工作台或旋转装置的至少一个部件，使得夹具的当前姿态与旋转工作台相对于CMM的当前姿态相关联。旋转工作台可移动到多个姿态中，并针对每个姿态测量夹具的6自由度姿态。基于与旋转工作台的姿态相关联的角度生成误差图，并基于误差图生成从CMM坐标系到与旋转工作台相关联的零件坐标系的坐标变换。计算机程序产品的程序代码存储在机器可读介质上或由包括程序代码段的电磁波实施，并具有计算机可执行指令，该指令当在根据本发明的CMM系统上运行时执行根据本发明的方法。

Description

旋转工作台补偿
技术领域
本发明涉及一种坐标测量机(CMM)系统，该坐标测量机系统通过利用传感器感测物理对象表面上的特征来测量该物理对象的几何形状。特别地，本发明涉及一种被配置为执行校准方法的CMM系统以及用于坐标测量机(CMM)系统的校准方法。此外，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有待存储在坐标测量机(CMM)上的程序代码或用于实现校准方法的计算机数据信号。
背景技术
坐标测量机(CMM)是一种被配置为测量对象的表面上的某些点的3D坐标的机器。CMM在各种工业领域中都比较重要，并且例如应用于生产测量技术，以例如确定所制造的工件的几何形状与所述工件的理论模型的偏差，并且勘测该偏差是否在限定的容许迹线内，以检测制造缺陷，确定某个生产过程中的可实现精度，或者测量在例如涡轮叶片之类的对象的寿命期间发生的磨损和磨耗。对象可以例如是适于用CMM测量的工件。
通常，CMM具有主结构、探测系统和数据收集和数据处理系统。在工业领域中(例如在生产测量技术中)使用的CMM的一个示例是3轴CMM。3轴CMM被构建成使得主结构包括三个运动轴线，以便使CMM能够测量对象的3D坐标。主结构通常包括：具有测量工作台的基座，对象定位在该测量工作台上；可移动框架，该可移动框架安装到基座，使得该可移动框架可以沿着第一轴线移动；一部件，该部件在本文中被称为臂，该部件以可移动的方式安装到可移动框架，并且可沿着名义上垂直于框架的第一移动轴线的第二轴线移动。该臂包含探测系统，比如包括传感器的扫描头，该探测系统可沿着第三轴线移动，例如其中第三轴线名义上垂直于CMM的第一移动轴线和第二移动轴线，从而允许传感器沿着三个轴线移动并且使得CMM能够测量对象的3D坐标。马达通常被构建到CMM中以用于驱动每个轴线。数据收集和处理系统通常包括机器控制器、台式计算机和应用软件。
进一步详细说明的构造设计得以实现，上述3轴变体仅被视为CMM的最常见设计和原理的示例。
为了测量对象的表面变化，使用了探头，探头例如包括触觉传感器或光学传感器。触觉传感器例如可以被实现为弹簧加载的钢球或红宝石球触针，并且在本领域的一些现有技术文献中也被称为探针。当触觉传感器接触对象的表面时，触针被偏转并将X、Y和Z坐标信息发送到计算机。另一种测量方法是沿着对象的表面拖动触觉传感器并且以指定间隔测量3D坐标，这些触觉传感器也被称为扫描探针。例如，该扫描方法在精度方面以及大多数时候在效率方面也优于常规接触式探针方法。此外，光学传感器(例如激光传感器)可用于距离测量并因此确定对象的3D坐标。
CMM通常组合不同类型的传感器，并且因此被称为多传感器测量机器。这可以包括各种类型的传感器，例如触觉传感器或光学传感器，包括例如激光器、相机、视频、白光传感器，以提供被称为多传感器测量的测量。取决于对象的几何形状，可有利地使用不同的传感器用于测量。
然而，利用CMM的上述传统3轴模型可能难以或不可能到达所述对象的表面上的一些点，从而减慢测量过程或者甚至使一些3D点的测量不可能。在许多情况下，需要从所有侧面访问待测量的对象，并且也难以到达需要测量的对象的点。为了简化对象的每个3D点的可达性并且加速测量过程，例如可以采用5轴探头。特别是在检查传感器需要多次改变的零件(诸如非常小且复杂的零件)时出现困难。这样的零件以及曲轴、凸轮轴、螺杆式压缩机、涡轮盘和叶盘可以例如使用旋转工作台测量。由于减少了测量量，在CMM上使用旋转工作台可以增加CMM容量、减少检查时间并且提升应用范围。代替使用单个旋转工作台，也可以使用堆叠的旋转工作台，例如将待测量对象相对于传感器对准。例如，如果存在多传感器系统，则可以使用旋转工作台来允许利用传感器对工件表面进行垂直探测，这些传感器相对于CMM轴线中的一个轴线固定地对准。此外，如果例如传感器中的一个传感器是光学传感器，例如相机中的光学传感器，则旋转工作台还允许将待测量对象相对于相机的焦平面对准。
尽管例如关于对象的可接近性方面具有积极效果，但是被添加到CMM或CMM系统(诸如例如旋转工作台)的每个附加轴线都是另一个潜在的误差源。CMM或CMM系统经受各种误差诱发因素，例如动态热应力和机械应力、变化湿度、不一致和非线性材料响应以及不适当的人类输入。因此，可能出现索引误差、摆动误差和偏心误差以及由于安装到旋转工作台的对象的重量引起的误差。因此，在现有技术中，旋转工作台的误差图或者在工厂校准，其中误差图可以是任何明确定义的函数，该函数针对旋转工作台的每个角度位置提供对象的校正3D坐标，或者旋转工作台被构造成是长期稳定的，从而导致技术支出增加。构造旋转工作台使得误差减小，这意味着构造必须长期稳定以避免频繁的重映射，并且足够硬以便避免由于对象(例如工件)的负载而引起测量误差，从而导致高成本。
为了校正误差，从相对于待测量对象固定的零件坐标系和与CMM相关联的CMM坐标系进行的相应等距变换必须是已知的。与旋转工作台的已知姿态一起，然后可以确定对象坐标。根据现有状态，可以从已知的几何机械设置、CMM系统内的一个或多个旋转工作台的定位以及每个旋转工作台中的旋转位置反馈导出变换参数。在现有技术中，通常对各个部件(例如，旋转工作台旋转接头)的误差图进行工厂校准。然而，由于系统误差(例如，平移误差和角度误差)，旋转工作台的测量精度受到限制。换句话说，确定CMM的误差和旋转工作台的误差，然而，没有考虑由旋转工作台和CMM的机械连接引起的测量不精确度，并且因此仍然存在这种测量不精确度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种包括旋转工作台的坐标测量机(CMM)系统以及允许改进精度和总体测量稳健性的方法。
此外，本发明的目的是提供一种包括旋转工作台的坐标测量机(CMM)系统以及方法，与现有技术相比，该系统和方法降低了技术支出和/或提供了更高的测量精度。
本发明的另一个目的是提供一种包括旋转工作台的坐标测量机(CMM)系统以及方法，即使向系统添加进一步的旋转轴线并因此添加误差源，该系统和方法也能够改进测量精度。
通过实现如下方面的特征中的至少一部分特征来实现这些目的。在其它方面中描述了以替代或有利的方式进一步发展本发明的特征。
特征部分
本发明涉及一种方法，该方法允许用户简单地且频繁地自主校准CMM系统中的旋转工作台和/或旋转装置。因此，本发明的CMM系统和方法通过频繁地生成误差图来提供对误差的频繁调节的可能性。在该误差图中，通过测量夹具在各种旋转角度处的偏差，利用CMM的传感器分别确定夹具的6自由度姿态的3D坐标，并且由此产生从零件坐标系(相对于旋转工作台固定的坐标系)到CMM坐标系(相对于CMM的基座固定的坐标系)的坐标变换，来配准夹具的真实测量的6自由度(6个DOF)姿态与夹具的理论上假设的6自由度的偏差。本发明的CMM系统以高精度生成从零件坐标系到CMM坐标系(或从CMM坐标系到零件坐标系)的等距映射(isometry)，并且因此允许对测量进行误差校正。本发明的方法还允许安装低精度和较低成本的轴承，但与结合现有技术校准状态使用更高精度轴承相比仍然实现更高的测量精度。此外，本发明的方法允许对整个CMM系统进行总体校准，不仅包括旋转工作台的误差补偿，而且允许对CMM上的整个设置或机械固定进行补偿。除了可以整体校准整个CMM系统之外，本发明的方法导致成本降低，因为例如旋转工作台的摆动误差和偏心误差可以由用户频繁地测量和校正。由于本发明的方法使用CMM本身作为参考系统，所以校准吗程序仅需要低成本夹具。此外，夹具本身不需要是精确已知的，唯一的要求是其在校准过程期间是几何稳定的，或者在校准程序期间夹具的行为是已知的。
更具体地说，本发明涉及一种能操作以测量对象的坐标测量机(CMM)系统，所述坐标测量机系统包括：坐标测量机(CMM)，该坐标测量机与相对于所述坐标测量机固定的坐标测量机坐标系相关联，所述坐标测量机包括计算单元和用于确定对象的三维坐标的至少一个传感器，特别是触觉传感器或光学传感器；旋转工作台，所述旋转工作台具有用于保持对象的装置并与零件坐标系相关联，所述零件坐标系相对于旋转工作台固定；旋转装置，所述旋转装置被配置为通过旋转移动将所述旋转工作台移动到相对于所述坐标测量机的不同姿态中；夹具，所述夹具被配置为利用所述坐标测量机的所述至少一个传感器确定所述夹具的6自由度(6dof)姿态，并且相对于所述旋转工作台布置成使得所述夹具的当前姿态与所述旋转工作台相对于所述坐标测量机的当前姿态信息相关联，特别地其中所述夹具是所述旋转工作台的一部分或能安装到所述旋转工作台，其特征在于，所述坐标测量机系统被配置成执行尤其是自动地执行校准程序，该程序包括：通过设置关于所述旋转移动的不同角度位置将所述旋转工作台移动到多个姿态中；针对所述旋转工作台的所述多个姿态中的每一个姿态，利用所述坐标测量机测量所述夹具的所述6自由度姿态；基于与所述不同角度位置相关联的角度和所述夹具的相关联的所述6自由度姿态，利用所述计算单元生成误差图；以及利用所述计算单元基于所述误差图确定尤其是自动地确定从所述坐标测量机坐标系到所述零件坐标系的坐标变换。
所述旋转工作台可以直接安装到所述基座或者可以经由居间部件安装到所述基座。根据本发明的一个实施例，坐标测量机(CMM)系统的特征在于所述旋转装置被配置为单轴装置，其中，所述旋转工作台被安装到基座，所述基座被安装到所述坐标测量机，并且不同角度位置的设置包括相对于所述基座围绕第一旋转轴线旋转所述旋转工作台。
根据本发明的另一个实施例，根据本发明的坐标测量机(CMM)系统的特征在于所述旋转装置被配置为双轴装置，其中，所述旋转工作台经由居间旋转臂安装到基座，其中，所述旋转臂被安装到所述基座并且能相对于所述基座围绕第一旋转轴线旋转；所述旋转工作台被安装到所述旋转臂并且能围绕第二旋转轴线旋转，其中，所述旋转臂被构造成使得所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线名义上彼此垂直，其中，将所述旋转工作台移动到多个姿态中包括分别围绕所述第一旋转轴线或所述第二旋转轴线旋转所述旋转臂和/或所述旋转工作台。
根据一个实施例，多个旋转工作台也可以直接地或经由居间部件彼此堆叠，所述多个旋转工作台的旋转轴线优选地在名义上垂直于所述CMM系统的其它旋转工作台的旋转轴线中的至少一个旋转轴线。
所述校准程序可以例如以自动化的方式执行，因为过程的自动化对用户来说进一步简化了校准，这也导致时间的进一步减小，并且降低了由于操作误差而产生误差的倾向性。根据本发明的一个实施例，由所述校准程序产生的从CMM坐标系到零件坐标系的坐标变换由依赖角度矩阵(an angle-dependant matrix)描述，该依赖角度矩阵考虑了旋转轴线的误差，诸如例如索引误差、摆动误差和平移误差，如果根据所述单轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα，其中α是所述旋转工作台围绕所述第一旋转轴线的旋转角度；或者如果根据所述双轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα,β，其中α是所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线的旋转角度，并且β是所述旋转工作台围绕所述第二旋转轴线的旋转角度。CTα或CTα，β是与施加了坐标变换的3x1向量相乘的3×3依赖角度旋转矩阵加上3x1平移向量的总和，例如，如果所述旋转装置被配置为双轴装置：CTα，β＝Rα，βx+tα，β，其中Rα，β是旋转矩阵，x是施加了旋转矩阵的向量，而tα，β是平移向量。
在一些情况下，坐标测量机(CMM)系统已经包括用于现有技术的坐标变换的应用软件，该坐标变换可能甚至考虑到了索引误差(index error)。为了应用本发明的方法，首先必须逆转现有技术的坐标变换。这可以例如通过删除该应用软件并替代地执行现有技术的坐标变换来完成。另一种可能性是，在将本发明的坐标变换应用于测量值之前，通过将预安装的现有技术坐标变换与其逆相乘而首先将该现有技术坐标变换逆转。本发明的坐标变换与现有技术的坐标变换的组成允许将本发明的坐标变换集成到现有工作流程中。
根据本发明的一个实施例，所述坐标测量机系统包括软件，所述软件已经存储了由依赖角度矩阵CT描述的坐标变换，其中，所述旋转移动被假定为由理想地对准的完美旋转轴线提供，其中，对于所述校准程序，由依赖角度矩阵描述从所述坐标测量机坐标系到所述零件坐标系的所述坐标变换，该依赖角度矩阵将所述旋转轴线的误差考虑在内：如果根据所述单轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα，其中α是所述旋转工作台围绕所述第一旋转轴线的旋转角度；或者如果根据所述双轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα,β，其中α是所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线的旋转角度，并且β是所述旋转工作台围绕所述第二旋转轴线的旋转角度，并且其中，分别通过提供误差图
Figure BDA0003191934520000061
或
Figure BDA0003191934520000062
将所述坐标变换CTα或CTα,β嵌入到所述软件中。依赖角度矩阵CT可描述等距映射(isometry)，其中假定旋转移动由理想地对准的完美旋转轴线提供，但该依赖角度矩阵CT也可描述任何预先安装的误差补偿，所述误差补偿被逆转并分别由本发明的等距映射或坐标变换替代。CT可以例如是矩阵，在该矩阵中估计旋转装置的旋转轴线。
不仅旋转装置的部件的重量和尺寸，而且安装到旋转工作台的对象的重量和尺寸都是可能的误差源。如果例如旋转装置被配置为双轴装置(其中旋转工作台经由居间旋转臂安装到基座，并且重的对象安装到旋转工作台)，则轴线与原始配置相比例如可能倾倒、倾斜和/或移位。为了补偿所安装的重量，可以通过如下步骤确定所得到的误差：在没有附接任何附加重量的情况下执行测量，然后将不同种类的重量安装到旋转工作台，在没有重量安装到旋转工作台的情况下执行本发明的校准过程，并且相应地针对每个安装的重量生成依赖重量的误差图。所安装的对象的重量可以例如通过使用集成天平来确定，从而直接在坐标测量机上确定重量，或者用户可以手动输入所安装的对象的重量。依赖重量的误差图然后导致甚至更准确的坐标变换。
在一些情况下，仅需要部分校准。从与旋转装置的移动相关联的多个自由度，假设参数中的至少一个参数是不变的，并且基于假定可变的至少一个参数来执行校准程序。如果例如旋转装置被配置为双轴装置(其中旋转工作台经由居间旋转臂安装到基座)，并且已知居间旋转臂是最大误差源，则仅旋转旋转臂以便生成仅依赖于第一旋转轴线的误差图，并且忽略由旋转工作台的旋转或围绕第二旋转轴线的旋转引起的误差，可以提供合理的误差图，同时与完全校准相比减少了时间。因此，致动轴线中的至少一个轴线保持恒定，并且确定与该致动轴线相关联的参数。根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于校准程序取决于多个参数。
在一些情况下，仅关于重量执行部分校准会是有益的。如果例如旋转装置被配置为双轴装置(其中旋转工作台经由居间旋转臂安装到基准)，并且已知居间旋转臂是关于重量变化的最大误差源，则也可以将重量安装到旋转臂。这些重量也可以安装到旋转装置的任何其它部件。如果关于重量的最大误差源是已知的，则执行这种类型的部分校准是特别有利的，并且与所有其他误差相比，所述误差较大，因为与完全校准相比，可以减少部分校准所需的时间。
根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，不同种类的重量被安装到所述旋转工作台或安装到所述旋转装置的一部分，其中，所述坐标测量机被配置为针对不同的重量来测量特别地自动地测量所述夹具的所述6自由度姿态，其中，对于每个重量，针对所述不同角度位置的至少一个子集来测量所述夹具的所述6自由度姿态，并且所述坐标测量机被配置为向所述坐标转换提供依赖重量的校正，特别地，其中，在根据所述双轴装置配置所述旋转装置的情况下，所述不同角度位置的所述子集包括所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线的旋转和/或所述旋转工作台围绕所述第二旋转轴线的旋转。对于双轴装置的示例，这意味着对于围绕第一旋转轴线或第二旋转轴线的每个旋转角度并且对于每种类型的重量，夹具的6个自由度姿态的偏差都被映射，从而生成依赖角度和重量的误差图。
误差图通常可以是任何明确定义的函数，其针对旋转工作台的每个角度位置提供对象的经校正的3D坐标。根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于使用谐波展开、多项式展开或查找表来实现所述误差图。
夹具是具有允许确定旋转装置的至少部分的6自由度姿态的特征的对象。根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，所述夹具是能安装到所述旋转工作台的模块化部件，或者所述夹具被固定地安装到所述旋转工作台。
根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，在所述校准程序期间所述夹具是几何稳定的，或者在所述校准程序期间所述夹具的特性和行为被存储在所述计算单元上并加以考虑。所述夹具例如可以是：板，至少三个球体安装至所述板；位于板上的三角形，特别是位于板上的金属三角形；位于板上的图案，特别是位于板上的棋盘图案；或者与所述工作台或所述工作台的一部分相同。如果使用例如工作台的一部分用作夹具，则可以通过考虑工作台的边缘来确定工作台的6自由度姿态。如果例如使用位于板上的金属三角形用作夹具，则确定所述三角形的两个边缘的姿态足以确定夹具的6自由度姿态。如果例如使用板上的随机非平面表面用作夹具，则可以使用表面配合来确定夹具的6自由度姿态。此外，图案(例如，棋盘)可用作夹具，然后可从由相机拍摄的图像来确定夹具的6自由度姿态。例如，当扫描侧面、顶部、并且优选地扫描额外的标记物而破坏旋转对称性时，旋转工作台本身也可以用作夹具。几何稳定是指，夹具的特性使得其是恒定的，或者可以忽略夹具的尺寸和/或形状的变化。几何稳定可以由此涉及二维夹具(例如棋盘图案)或三维夹具(例如体现为球体)。在可以存储在计算单元上的特性中，该特性可以例如是膨胀系数，该膨胀系数定义了关于温度变化的对象膨胀。已知制造夹具的材料的膨胀系数，可以允许预测在校准程序期间夹具的实际膨胀。
根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，旋转工作台被实施为用作夹具，所述旋转工作台的结构数据被存储在坐标测量机上，并且坐标测量机被配置为通过使用所述旋转工作台的至少一部分的结构数据来执行校准程序，特别地自动地执行该校准程序。
根据另一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，所述旋转装置是根据所述双轴装置来配置的，并且所述夹具包括至少两个球体，其中，至少一个球体靠近所述基座安装到所述旋转臂，并且至少一个球体靠近所述旋转工作台安装到所述旋转臂。靠近所述基座例如可以意味着靠近所述基座安装到旋转臂的球体被安装成使得该球体与所述基座之间的距离短于该球体与所述旋转工作台之间的距离。因此，靠近所述旋转工作台可以意味着该球体与所述旋转工作台之间的距离短于该球体与所述基座之间的距离。旋转臂可以是L形的。对于L形旋转臂的示例来说，靠近所述基座可以是意味着球体被安装在旋转臂的笔直部分上，该笔直部分比旋转臂的更靠近旋转工作台的笔直部分更靠近基座。更具体地说，对于对于L形旋转臂的示例来说，靠近所述基座也意味着球体被安装在旋转臂的笔直部分上，该旋转臂直接地或经由居间部件安装至基座。
根据另一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，旋转装置被配置为双轴装置，并且夹具包括至少三个球体，其中，至少一个球体靠近基座安装到旋转臂，至少一个球体靠近旋转工作台安装到旋转臂或安装到旋转臂与旋转工作台之间的居间部件，并且至少一个球体直接地或经由附加部件安装到旋转工作台。
取决于待测量的对象和夹具，不同的传感器对于不同的夹具或不同的测量情况可能是有利的。根据一个实施例，坐标测量机系统的特征在于，坐标测量机包括用于确定对象的三维坐标的多个传感器，所述传感器中的一个传感器特别是触觉传感器或光学传感器。
本发明还涉及一种用于坐标测量机(CMM)系统的校准方法，所述坐标测量机系统包括：坐标测量机(CMM)，该坐标测量机与相对于所述坐标测量机固定的坐标测量机坐标系相关联，所述坐标测量机包括计算单元和用于确定对象的三维坐标的至少一个传感器，特别是触觉传感器或光学传感器；旋转工作台，所述旋转工作台具有用于保持对象的装置并与零件坐标系相关联，所述零件坐标系相对于所述旋转工作台固定；旋转装置，所述旋转装置被配置为通过旋转移动将所述旋转工作台移动到相对于所述坐标测量机的不同姿态中；夹具，所述夹具被配置为利用所述坐标测量机的所述传感器中的至少一个传感器确定所述夹具的6自由度(6dof)姿态，并且相对于所述旋转工作台布置成使得所述夹具的当前姿态与所述旋转工作台相对于所述坐标测量机的当前姿态信息相关联，特别地其中所述夹具是所述旋转工作台的一部分或能安装到所述旋转工作台，该方法包括以下步骤：通过设置关于所述旋转移动的不同角度位置来将所述旋转工作台移动到多个姿态中；针对所述多个姿态中的每一个姿态，利用所述坐标测量机测量所述夹具的所述6自由度姿态；基于与所述不同角度位置相关联的角度和所述夹具的相关联的所述6自由度姿态，利用所述计算单元生成误差图；以及利用所述计算单元基于所述误差图确定从所述坐标测量机坐标系到所述零件坐标系的坐标变换。例如，可以通过使用存储在计算单元上的软件将旋转工作台自动地移动到多个姿态中，这意味着为了将旋转工作台移动到多个姿态中，使旋转工作台围绕其旋转轴线分别围绕多个预定角度旋转，其中当设定预设姿态时，测量夹具的6自由度姿态。也可以自动地执行测量夹具的6自由度姿态。基于夹具的6自由度姿态的测量值，可以由计算单元自动生成误差图。然后，计算单元可以自动地确定从坐标测量机坐标系到零件坐标系的坐标变换。尽管优选地以自动方式执行单个步骤，但并不强制以自动方式执行整个校准过程。然而，整个校准方法也可以实现为使得校准方法的过程步骤完全自动化，而不是仅使每个单个过程步骤自动化。
根据一个实施例，用于坐标测量机系统的校准方法的特征在于，所述旋转装置被配置为：单轴装置，其中，所述旋转工作台被安装到基座，所述基座被安装到所述坐标测量机，并且不同角度位置的设置包括相对于所述基座围绕第一旋转轴线旋转所述旋转工作台；或者双轴装置，其中，所述旋转工作台经由居间旋转臂安装到基座，其中，所述旋转臂被安装到所述基座并且能相对于所述基座围绕第一旋转轴线旋转；所述旋转工作台被安装到所述旋转臂并且能围绕第二旋转轴线旋转，其中，所述旋转臂被构造成使得所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线名义上彼此垂直，其中，将所述旋转工作台移动到多个姿态中包括围绕所述第一旋转轴线或所述第二旋转轴线旋转所述旋转臂和/或所述旋转工作台。
根据本发明的另一个实施例，所述校准方法的特征在于，该方法是计算机实现的，并且包括：提供用于所述坐标测量机(CMM)系统的软件，所述软件已经存储了由依赖角度矩阵CT描述的坐标变换，其中，所述旋转移动被假定为由理想地对准的完美旋转轴线提供；其中，对于所述校准程序，由矩阵描述从所述坐标测量机坐标系到所述零件坐标系的依赖角度坐标变换，该矩阵将所述旋转轴线的倾斜误差考虑在内；如果根据所述单轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα，其中α是所述旋转工作台围绕所述第一旋转轴线的旋转角度；或者如果根据所述双轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα,β，其中α是所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线的旋转角度，并且β是所述旋转工作台围绕所述第二旋转轴线的旋转角度；通过提供误差图
Figure BDA0003191934520000101
或
Figure BDA0003191934520000102
将所述坐标变换CTα,或CTα,β嵌入到所述软件中。
根据本发明的另一个实施例，所述方法的特征在于，该方法还包括：将重量安装到所述旋转工作台或所述旋转装置的一部分，并重复本发明的步骤；针对不同种类的重量执行所述过程/循环；以及向所述坐标变换提供依赖重量校正(a weight-dependantcorrection)。
一种包括程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器可读介质上或者由包括程序代码段的电磁波实施，并且具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于特别地当在本发明的坐标测量机上运行时执行根据本发明的方法。
附图说明
以下将参考在附图中示意性地示出的工作示例单纯以示例性地方式更详细地描述或解释本发明的各方面。在附图中，相同的元件用相同的附图标记来标记。所描述的实施例一般未按比例示出，并且它们也不应被解释为限制本发明。具体地：
图1是本发明的一个实施例，其中旋转装置被配置为单轴装置。
图2是处于校准设置中的本发明的一个实施例，其中旋转装置被配置为双轴装置。
图3是本发明的校准设置的实施例，其中旋转装置被配置为双轴装置。
图4是本发明的CMM系统的实施例，其中所述旋转装置被配置为双轴装置。
图5是本发明的方法的实施方式的工作流程。
具体实施方式
图1示出了本发明的实施例，其中旋转装置被配置为单轴装置。旋转工作台2安装到基座1，并且可围绕第一旋转轴线6旋转。通过使旋转工作台2围绕第一旋转轴线6相对于基座1来实现不同角度位置的设置。零件坐标系4相对于旋转工作台2固定，并且例如被限定为使得z’轴与第一旋转轴线同轴，并且x’-y’平面位于旋转工作台2的表面上。此外，旋转工作台具有用于保持工件5的装置，例如，固定件，本文中实现为简单孔3。
图2示出了处于校准设置中的本发明的实施例，其中旋转装置被配置为双轴装置。作为示例，旋转工作台2被安装到居间部件9，该居间部件9形成用于旋转工作台2的基座，旋转工作台2可相对于居间部件9围绕第二旋转轴线12旋转。居间部件9固定地安装到旋转臂10。旋转臂10经由旋转工作台11可旋转地安装到基座1，并且可围绕第一旋转轴线6旋转。此外，旋转臂10被构造成使得第一旋转轴线6和第二旋转轴线12名义上彼此垂直。由安装到旋转工作台2上的圆形板7和安装到板7的3个球体8组成的夹具(jig)用于完全校准程序。3个球体8的3D坐标以及因此夹具的6个DOF姿态的测量产生关于索引误差、旋转轴线的倾斜和平移误差以及摆动误差的信息。
图3示出了校准设置的实施例，其中旋转装置被配置为双轴装置。一个或多个球体8用作夹具或夹具的一部分，以执行完全校准或执行部分校准。设置双轴装置，使得旋转工作台2包括孔3以便安装工件或夹具。旋转工作台2可旋转地安装到居间部件9，所述居间部件9固定地安装到旋转臂10。旋转臂10经由旋转工作台11可旋转地安装到CMM的基座1。旋转臂10被构造成使得第一旋转轴线和第二旋转轴线(在该图中未示出)名义上彼此垂直。夹具是模块化部件，该模块化部件可安装到旋转工作台2，诸如针对固定地安装到L形居间部件的两个球体8所示，而夹具仅安装到旋转工作台2以用于校准旋转布置，并且被移除以用于工件的测量。夹具还可以固定地安装到旋转装置的一部分，例如针对安装到居间部件9的球体8所示，或者针对固定地安装到旋转臂10的球体8所示。
在一些情况下，部分校准可能就是足够的。如果已知旋转臂10是最大误差源，并且可以忽略由旋转工作台2引起的误差，则本文实施为球体8的夹具也可以固定地安装到旋转臂10或居间部件9。例如，附接到安装有旋转工作台2的静止部分(这里为居间部件9)的球体8可以用于校准旋转臂10和旋转工作台11的组件。由于旋转工作台2比旋转臂10和旋转工作台11具有更小的倾向于摆动误差和平移误差的误差，因此旋转工作台2上的一个球体8就可以提供足够准确的结果。
图4示出了本发明的CMM系统的实施例，其中，旋转装置被配置为双轴装置。CMM与CMM坐标系13相关联，CMM坐标系13相对于CMM是固定的。CMM包括作为基座1的一部分的测量工作台16、框架14、包括具有传感器17的探头的臂15。在该示例中，传感器17被实施为触觉传感器。测量工作台16相对于CMM坐标系13固定。框架14安装到基座1，从而可沿着x轴移动。臂15安装到框架14，使得臂15可沿着Y轴移动。附接有传感器17的探头安装到臂15，并且可沿着z轴移动。CMM因此提供了3个平移自由度。
本发明的CMM系统包括旋转装置和旋转工作台，该旋转装置例如被在[0041]段中引入并且在图3中示出的旋转装置，该旋转装置被附接到CMM的基座1，该旋转工作台通过旋转装置而被移动到相对于CMM的不同姿态中。旋转臂被安装到基座1并且可相对于基座1围绕第一旋转轴线6旋转，旋转工作台被安装到旋转臂并且可围绕第二旋转轴线12旋转，其中旋转臂被构造成使得第一旋转轴线6和第二旋转轴线12名义上彼此垂直。在该实施例中，零件坐标系4被限定为使得在初始位置第二旋转轴线12与零件坐标系4的z’轴同轴，并且第一旋转轴线6平行于CMM坐标系13的y’轴。因此，旋转工作台和旋转装置的组合提供了2个额外的自由度。
在本发明的校准程序中，通过使旋转工作台围绕第二旋转轴线12围绕不同角度旋转或使旋转臂围绕第一旋转轴线6围绕不同角度旋转或通过上述两者来将旋转工作台移动到多个姿态中。在每个姿态中，测量球体的3D坐标，使得可以确定夹具的6自由度姿态。基于在不同角度位置中夹具的6自由度姿态的多个依赖角度测量，产生误差图，即旋转工作台和旋转装置的组合的所有几何误差的图。基于该误差图，生成从零件坐标系4到CMM坐标系13的坐标变换。
图5示出了本发明方法的实施例的工作流程。提供本发明的CMM系统，在该实施例中该系统包括配置为双轴装置的旋转装置(a)。夹具可以例如被安装到旋转工作台以仅用于校准，并且可以被移除以用于实际测量(b)，或者夹具可以例如被固定地安装到旋转臂的一部分或居间部件(b')。在相对于旋转工作台布置夹具而使得夹具的当前姿态与旋转工作台相对于CMM的当前姿态信息相关联之后，通过设置关于旋转移动的不同角度位置将旋转工作台移动到多个姿态中(c)。在该实施例中，在旋转装置被配置为双轴装置的情况下，将旋转工作台移动到多个姿态包括分别围绕第一旋转轴线或第二旋转轴线旋转旋转臂和/或旋转工作台。对于旋转工作台的多个姿态中的每一个姿态，利用包括在CMM中的传感器中的至少一个传感器来测量夹具的6自由度姿态(d)。基于所测量的夹具的6自由度姿态以及与旋转工作台的不同角度位置或姿态相关联的角度，生成误差图(e)。基于该误差图，确定从CMM坐标系到零件坐标系的坐标变换(f)。

Claims (15)

1.一种能操作以测量对象(5)的坐标测量机系统，所述坐标测量机系统包括：
·坐标测量机，该坐标测量机与相对于所述坐标测量机固定的坐标测量机坐标系(13)相关联，所述坐标测量机包括计算单元和用于确定对象(5)的三维坐标的至少一个传感器(17)，特别是触觉传感器或光学传感器；
·旋转工作台(2)，所述旋转工作台具有用于保持对象(5)的装置(3)并与零件坐标系(4)相关联，所述零件坐标系相对于所述旋转工作台(2)固定；
·旋转装置，所述旋转装置被配置为通过旋转移动将所述旋转工作台(2)移动到相对于所述坐标测量机的不同姿态中；
·夹具，所述夹具被配置为利用所述坐标测量机的所述至少一个传感器(17)确定所述夹具的6自由度姿态，并且所述夹具相对于所述旋转工作台(2)布置成使得所述夹具的当前姿态与所述旋转工作台(2)相对于所述坐标测量机的当前姿态信息相关联，特别地其中所述夹具是所述旋转工作台(2)的一部分或能安装到所述旋转工作台(2)，
其特征在于，
所述坐标测量机系统提供限定一过程的校准程序，在该过程中，通过设置关于所述旋转移动的不同角度位置将所述旋转工作台(2)移动到多个姿态中，并且所述校准程序被配置为自动：
·针对所述旋转工作台(2)的所述多个姿态中的每一个姿态，利用所述坐标测量机测量所述夹具的所述6自由度姿态；
·基于与所述不同角度位置相关联的角度和所述夹具的相关联的所述6自由度姿态，利用所述计算单元生成误差图；以及
·利用所述计算单元基于所述误差图确定从所述坐标测量机坐标系(13)到所述零件坐标系(4)的坐标变换。
2.根据权利要求1所述的坐标测量机系统，其特征在于，所述旋转装置被配置为：
ο单轴装置，其中，所述旋转工作台(2)被安装到基座(1)，所述基座(1)被安装到所述坐标测量机，并且不同角度位置的设置包括相对于所述基座(1)围绕第一旋转轴线(6)旋转所述旋转工作台(2)；
或者
ο双轴装置，其中，所述旋转工作台(2)经由居间旋转臂(10)安装到基座(1)，其中：
ο所述旋转臂(10)被安装到所述基座(1)并且能相对于所述基座(1)围绕第一旋转轴线(6)旋转；
ο所述旋转工作台(2)被安装到所述旋转臂(10)并且能围绕第二旋转轴线(12)旋转，其中，所述旋转臂(10)被构造成使得所述第一旋转轴线(6)和所述第二旋转轴线(12)名义上彼此垂直，
其中，将所述旋转工作台(2)移动到多个姿态中包括分别围绕所述第一旋转轴线(6)或所述第二旋转轴线(12)旋转所述旋转臂(12)和/或所述旋转工作台(2)。
3.根据权利要求2所述的坐标测量机系统，其特征在于，
·所述坐标测量机系统包括软件，所述软件已经存储了由依赖角度矩阵CT描述的坐标变换，其中，所述旋转移动被假定为由理想地对准的完美旋转轴线(6，12)提供；
·其中，对于所述校准程序，由依赖角度矩阵描述从所述坐标测量机坐标系(13)到所述零件坐标系(4)的所述坐标变换，该依赖角度矩阵将所述旋转轴线(6，12)的误差考虑在内：
ο如果根据所述单轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα，其中α是所述旋转工作台(2)围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转角度；或者
ο如果根据所述双轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα,β，其中α是所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转角度，并且β是所述旋转工作台(2)围绕所述第二旋转轴线(12)的旋转角度；并且
·其中，通过分别提供误差图
Figure FDA0003191934510000021
或
Figure FDA0003191934510000022
将所述坐标变换CTα或CTα,β分别嵌入到所述软件中。
4.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，
不同种类的重量被安装到所述旋转工作台(2)或安装到所述旋转装置的一部分，其中，所述坐标测量机被配置为针对不同的重量来测量特别地自动地测量所述夹具的所述6自由度姿态，其中，对于每个重量，针对所述不同角度位置的至少一个子集来测量所述夹具的所述6自由度姿态，并且所述坐标测量机被配置为向所述坐标转换提供依赖重量校正，特别地，其中，在根据所述双轴装置配置所述旋转装置的情况下，所述不同角度位置的所述子集包括所述旋转臂(10)围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转和/或所述旋转工作台(2)围绕所述第二旋转轴线(12)的旋转。
5.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，使用谐波展开、多项式展开或查找表来实现所述误差图。
6.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述夹具是能安装到所述旋转工作台的模块化部件，或者所述夹具被固定地安装到所述旋转工作台。
7.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，在所述校准程序期间所述夹具是几何稳定的，或者所述夹具在所述校准程序期间的机械特性和行为被存储在所述计算单元上并加以考虑。
8.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述坐标测量机包括用于确定对象(5)的三维坐标的多个传感器(17)，其中，所述多个传感器(17)中的一个传感器特别是触觉传感器、光学传感器或相机。
9.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述夹具是对象(5)，所述对象(5)呈现几何特征以允许分别确定所述旋转装置的至少部分的6自由度姿态，所述夹具尤其是：
·板，至少三个球体(8)安装至所述板；
·位于板上的三角形，特别是位于板上的金属三角形；
·位于板上的图案，特别是位于板上的棋盘图案；或者
·与所述工作台(2)或所述工作台(2)的一部分相同。
10.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述校准程序取决于多个参数，特别是取决于与所述旋转装置的移动相关联的多个自由度，假定所述参数中的至少一个参数是不变的，并且基于被假定为可变的至少一个参数来执行所述校准程序。
11.一种用于坐标测量机系统的校准方法，所述坐标测量机系统包括：
·坐标测量机，该坐标测量机与相对于所述坐标测量机固定的坐标测量机坐标系(13)相关联，所述坐标测量机包括计算单元和用于确定对象(5)的三维坐标的至少一个传感器(17)，特别是触觉传感器或光学传感器；
·旋转工作台(2)，所述旋转工作台具有用于保持对象(5)的装置(3)并与零件坐标系(4)相关联，所述零件坐标系相对于所述旋转工作台(2)固定；
·旋转装置，所述旋转装置被配置为通过旋转移动将所述旋转工作台(2)移动到相对于所述坐标测量机的不同姿态中；
·夹具，所述夹具被配置为利用所述坐标测量机的所述传感器(17)中的至少一个传感器确定所述夹具的6自由度姿态，并且所述夹具相对于所述旋转工作台(2)布置成使得所述夹具的当前姿态与所述旋转工作台(2)相对于所述坐标测量机的当前姿态信息相关联，特别地其中所述夹具是所述旋转工作台(2)的一部分或能安装到所述旋转工作台(2)，
该方法包括以下步骤：
·通过设置关于所述旋转移动的不同角度位置来将所述旋转工作台(2)移动到多个姿态中；
·针对所述旋转工作台(2)的所述多个姿态中的每一个姿态，利用所述坐标测量机测量所述夹具的所述6自由度姿态；
·基于与所述不同角度位置相关联的角度和所述夹具的相关联的所述6自由度姿态，利用所述计算单元生成误差图；以及
·利用所述计算单元基于所述误差图确定从所述坐标测量机坐标系(13)到所述零件坐标系(4)的坐标变换。
12.根据权利要求11所述的用于坐标测量机系统的校准方法，其特征在于，所述旋转装置被配置为：
ο单轴装置，其中，所述旋转工作台(2)被安装到基座(1)，所述基座(1)被安装到所述坐标测量机，并且不同角度位置的设置包括相对于所述基座(1)围绕第一旋转轴线(6)旋转所述旋转工作台(2)；
或者
ο双轴装置，其中，所述旋转工作台(1)经由居间旋转臂(10)安装到基座(1)，其中：
ο所述旋转臂(10)被安装到所述基座(1)并且能相对于所述基座(1)围绕第一旋转轴线(6)旋转；
ο所述旋转工作台(2)被安装到所述旋转臂(10)并且能围绕第二旋转轴线(12)旋转，其中，所述旋转臂(10)被构造成使得所述第一旋转轴线(6)和所述第二旋转轴线(12)名义上彼此垂直，
其中，将所述旋转工作台(2)移动到多个姿态中包括围绕所述第一旋转轴线(6)或所述第二旋转轴线(12)旋转所述旋转臂(12)和/或所述旋转工作台(2)。
13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于，该方法是计算机实现的，并且包括：
·提供用于所述坐标测量机系统的软件，所述软件已经存储了由矩阵CT描述的坐标变换，其中，所述旋转移动被假定为由理想地对准的完美旋转轴线(6，12)提供；
·执行根据权利要求11或12所述的方法，其中，由矩阵描述从所述坐标测量机坐标系(13)到所述零件坐标系(4)的依赖角度坐标变换，该矩阵将所述旋转轴线(6、12)的倾斜误差考虑在内：
ο如果根据所述单轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα，其中α是所述旋转工作台(2)围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转角度；或者
ο如果根据所述双轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CTα,β，其中α是所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转角度，并且β是所述旋转工作台(2)围绕所述第二旋转轴线(12)的旋转角度；
·通过分别提供误差图
Figure FDA0003191934510000051
或
Figure FDA0003191934510000052
将所述坐标变换CTα,或CTα,β分别嵌入到所述软件中。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
·将重量安装到所述旋转工作台(2)或所述旋转装置的一部分，并重复根据权利要求11、12或13中的任一项所述的步骤；
·针对不同种类的重量执行所述过程/循环；
·向所述坐标变换提供依赖重量校正。
15.一种包括程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器可读介质上或者由包括程序代码段的电磁波实施，并且具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于特别地当在根据权利要求1至10中任一项所述的坐标测量机上运行时执行根据权利要求11至14所述的方法。
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