CN1331073C - 通信方法以及使控制器和精密测量装置互连的公共控制总线 - Google Patents

Abstract

将主机和/或控制器与精密测量装置互连的导线的数目和重量能够通过利用公共或者共享总线而减少。总线可以完全是电线或者可以包括光纤以减少EMI敏感性。可以使用通用总线或者已知的串行网络总线，例如CAN或者SIRCOS。

Description

通信方法以及使控制器和精密测量 装置互连的公共控制总线

技术领域

本发明涉及一种精密测量工具，尤其涉及一种在主机和精密测量装置之间的共享控制总线。

背景技术

精密测量工具包括坐标测量机(CMM)、精密测量仪器等等。CMM的范围从置于台顶且用铰链连接的臂式手动CMM到高速DCC扫描机、门形构架、车间测量机器人和用具有支持网络的计量软件、探测器和辅助设备完成的水平臂CMM。

例如，图1示出根据现有技术的垂直CMM形式的精密测量装置10。这个装置包括固定平台12和安装在其上的主或者第一可移动部分14。在图示垂直CMM的情况下，第一可移动部分14采用桥的形式跨接平台12。在这样的水平CMM的其它配置中，第一可移动部分典型的采用另外一种例如仅仅是垂直柱的形式。无论如何，对于所示垂直CMM的情况，致动器或者装配在平台12上或者装配在桥14上，用来使桥14沿着轴(例如与平台12的一个边平行的轴15)相对于平台移动。桥14也可以典型的具有一个或者多个其他的可移动部分，例如通过安装在支撑架16本身或者安装在桥14上的相应的致动器操纵的第二可移动部分或者支撑架16。支撑架16可以沿着例如垂直于轴15的轴17移动。这些支撑架16中的一个具有安装在其上的探测器18，其用来沿着位于平台上的目标的表面移动。探测器轴19可以垂直于轴15、17并且支撑架16可以通过相关的致动器沿着轴19移动。不同的致动器执行所述至少一个支撑架16和桥14的被控移动，使探测器相对于被测目标的表面沿着预先计划的路线移动。具有许多与支撑架16、桥14和平台12相关的位置传感器用来检测桥相对于平台的位置以及支撑架16相对于桥的位置，用来提供具有其幅度指示的信号。同样，探测器18与一个位置传感器相关联，该位置传感器提供具有指示相对于支撑架16，例如沿着探测器或者支撑架的轴19的探测器18的尖端位置的幅度的信号。

可以执行不同的坐标转换以将探测器的位置转换成被测目标的表面图。当然，由于存储在具有显示器24和例如键盘和/或鼠标的用户输入装置26的主机CPU22中的CAD程序或者类似的程序，目标物体的表面在很大程度上已经预先知道。使用者将使用软件接口程序，利用待测目标的预先存在的CAD表示来建立预先计划的路线，探测器20沿着该路线移动。目的是非常精确的测量目标的表面。这种主机CPU可以直接连接到精密测量装置上，或者通过包含继电器、电源和通常不会在主机CPU中出现、而最好与精密测量装置10分开设置的其他硬件的控制器28连接到精密测量装置上。这种控制器可以通过RS232接口32、一个或者多个包括以太网连接34和/或通过参考数字30表示的任何普遍的连接的双绞线连接到主机CPU22上。使控制器与精密测量装置10分离的缺点之一在于不得不利用大量的导线36将控制器和精密测量装置10连接在一起，尤其是桥或者其他等效的第一可移动部分。在一个典型的例子中，可能具有安装在精密测量装置上的大量温度传感器，如图所示其必须通过多达20条导线与控制器28相连。同样地，其他类型的装置例如多个电动机、伺服器、编码器、探测器以及开关都可以与精密测量装置关联，并且需要通过导线的方式与控制器28进行电连接。同样，在控制器28中的电源不得不在附加导线上提供功率，这些导线对于精密测量装置10来说具有相当大尺寸。所有的这些导线合计为巨大的数目。在显示的例子中，需要导线的总数为113。这些导线很沉重，且不得不将其封进称为动力轨道(energy track)的软导管中，其中能量轨道设计成当桥14相对于平台12移动时平滑地展开和卷起导线。这个能量轨道通常定位于平台12的一侧上第一可移动部分14的一端，在该例中第一可移动部分是桥14。

考虑到以下事实，大量的导线会造成重大的电缆牵引问题：因为即使由这种牵引在桥中引起的非常轻微的扭曲也将引起理想系统的数学模型的变形，其变形程度在测量中引入重大的不精确性。还有一种情况是，控制器28本身在现有技术中典型地根据很过时的总线体系结构(ISA)设计，因此也需要改进控制器本身。另外一个问题是限制的伺服特性，也需要改进。

发明内容

本发明的一个目的就是为了减少在控制器或者主机与精密测量装置之间的动力轨道中的电缆牵引。

本发明的另外一个目的是改进伺服特性并且提供新型的总线体系结构。

根据本发明的第一个方面，提供一种装置，包括(1)精密测量工具，其具有固定平台和用来沿着定位于该平台上的目标的表面移动一个探测器的第一可移动部分，其中用于移动所述第一可移动部分的一个致动器安装在所述平台或者第一可移动部分上，且多个致动器安装在所述第一可移动部分上用来移动所述探测器，(2)安装在所述平台和所述第一可移动部分上的多个位置传感器，用来提供具有共同指示所述表面上的所述探测器的位置的幅度的感应位置信号，以及(3)通过信号线束与所述测量工具物理连接的控制器，其用来将致动器控制信号从控制器传递到致动器中并且将感应位置信号从位置传感器传递到控制器中，其中这个装置的特征在于，所述信号线束包括由感应的位置信号和致动器控制信号共享的公共总线。

根据本发明的第二个方面，用于在控制器和探测器之间传递控制和数据信号的方法，其中探测器可以沿着一个目标的表面移动以便与安装在测量装置的平台部分上的目标的表面建立物理接触，并且其中所述探测器可通过测量装置的第一可移动部分使移动，这种方法包括步骤(1)利用使所述的控制器和多个模块相互连接的公共控制总线在所述的公共控制总线上传递所述的控制和数据信号，这些模块包括装配在所述第一可移动部分上的模块，(2)通过所述公共控制总线从所述控制器发送命令信号，由多个致动器用来驱动对应的制动器，以便根所述命令信号在多个轴上移动所述第一可移动部分，从而在所述表而上沿着一条路线移动持续地与所述表面接触的所述探测器，以提供一个数据信号给一个探测器模块，该信号地幅度指示所述探测器在所述目标的表面上沿所述路线的选定点与所述表面接触，(3)从相应的多个位置传感器模块提供多个感应的位置信号，所述多个感应的位置信号具有指示沿着所述探测器移动的所述多个轴中相应的轴被所述探测器接触的所述点的位置的幅度，以及(4)通过所述的公共控制总线从所述的探测器模块和所述的位置传感器模块将所述的数据信号和所述的感应位置信号传递到所述总线，由所述的控制器在记录所述的感应数据信号时使用。

根据本发明的第三个方面，一种装置，包括(1)一个平台，用来支承固定在其上的目标，以测量该目标的表面，(2)一个探测器，用于沿着目标表面上的路线在多个轴上移动，以提供具有指示与所述表面物理接触以及沿着所述探测器的轴的所述路线的所述点的位置的幅度的感应信号，(3)能够在所述的平台上移动的第一可移动部分，以沿着所述路线上的所述多个轴中的至少一个移动所述的探测器，(4)响应于所述感应信号的探测器模块，其用来根据预选的协议将所述的感应信号提供给一条共享总线，(5)包括安装在所述第一可移动部分上的相应的多个探测致动器的多个致动器模块，其响应于根据所述协议在所述共享总线上提供的相应的探测致动器控制信号，用来沿着所述路线移动在所述第一可移动部分上的所述探测器，(6)至少一个第一可移动部分致动器，响应于第一可移动部分致动器信号，其用来移动在所述平台上的第一可移动部分，以沿着所述路线的所述多个轴的至少一个移动所述探测器，(7)与相应的多个位置传感器连接的多个位置传感器模块，其用来根据所述协议在所述的共享总线上提供具有这样幅度的感应位置信号，这个幅度指示出在所述的探测器沿着所述路线移动期间所述的探测器接触的所述点的位置，以及(8)用来执行存储的程序的控制器，该程序用来提供所述的相应探测致动器控制信号和所述第一可移动部分致动器信号，并且根据所述预选协议响应于所述共享总线上的所述感应位置信号以存储所述感应信号，这些信号一起表示出所述表面的拓扑图。

进一步根据本发明的第一、第二和第三方面，在所述总线上提供感应位置信号用来与相应的一个或者多个致动器控制信号相对比。

进一步根据本发明的第一、第二和第三方面，所述共享总线包括发送线路和接收线路。发送线路和接收线路的互联至少一部分是通过光纤实现的。

再进一步根据本发明的第一、第二和第三方面，所述共享总线进一步包括一个同步线路。

有利地，可以大量减少电缆线路，同时测量性能提高。利用包括光纤、分布式的/模块化的控制和数字信号处理的技术概念状态导致服务费用的降低。本发明除描述的之外还具有在其他类型的机器上的潜在应用。

本发明的这些以及其他目的、特点和优点将根据下面的附图阐明的最佳模式实施例的详细说明变得更加明显。

附图说明

图1显示了现有技术的通过大量的导线互连的控制器和主机控制的精密测量装置。

图2显示了根据本发明的原理利用公共或者共享控制总线与主机互连的精密测量装置。

图3显示了根据本发明的通过光纤与精密测量装置连接的图2的主机的示意性方框图，其详细地显示了一个模块。

具体实施方式

现在参照图2，显示了精密测量装置40，其具有平台42、第一可移动部分44(在该例中为桥44)、一个或者多个支撑架46和探测器48。没有示出但是安装在精密测量装置40上面或内部的各种模块，例如用来分别与一个或者多个致动器电动机连接的三个电动机模块、用来分别与一个或者多个编码器连接的三个编码器模块、用来与探测器48相连的探测模块、用来与一个或者多个限位开关连接的限位开关模块以及用来与一个或者多个温度探测器连接的温度模块。这些模块可以如图所示利用标准总线如已知或习惯的串行网络总线例如CNN(控制域网络)总线或者通过非标准总线互连。CAN是根据ISO11898具有多主控性能的已知的串行总线系统。利用共享或者公共总线允许在装置40和主机52之间的互连50所需要的信号线数目较大的减少。虽然用于从电源54提供功率到装置40的输电线将保持一样，例如由线56所示的四根输电线，但是在图1的线束36中需要的100多根导线已经减少了，例如减少到了仅仅剩下三根信号线58。如图所示这些线可以是电线或者光纤。信号线50能够如图所示与主机和电源连接或者仅仅与主机连接。当然，如果使用光纤，必须具有在图2中没有示出的光-电转换和电-光转换接口。这样，在动力轨道内携带的重量由于信号线的减少而减少，并且因此，通过减少当桥相对于平台移动时由在能量轨道中缠绕的和非缠绕导线引起的重量分布的改变造成的任何扭曲改进了精密测量本身的精确度。

现在参照图3，图2中的主机和一个模块的细节和共享总线一起示出，在该例中一部分是电的，一部分是光学的。如结合图2所提到的，精密测量装置40包括多个模块60，…，62，每个模块与至少一个设备64，…，66相连接，这些设备可以是例如电动机、伺服器、编码器、探测器、限位开关或者温度传感器。不管设备的性质怎么样，其都能够与总线控制器(B.C.)，例如在图3的模块60中所示的总线控制器68相连接。图示出连接线70用来互连总线控制器68和设备64，但是这种线可以包括到一个或者多个设备的多条线，并且在性质上可以是单向的或者是双向的。总线控制器响应于线72上来自同步总线74-在该例中为分离的同步总线的同步信号。由于系统的同步和定时的重要性，在本例中使其为分离的。然而，我们还要意识到下面将要说明的在共享传输和/或接收信号线上的同步信号可以是时间多路复用的。

正如大家知道的象CAN协议的某个共享或者公共的总线协议，当数据传送时，没有站被寻址，而是通过在整个因特网中唯一的标记来识别消息的内容。这个标记不仅限定了内容而且限定了在相互竞争的工作站中对于总线地址分配非常重要的消息的优先级。图3中的每个模块60，…，62中的每个总线控制器将包括与公共接收总线(RX)连接的接收端口和与公共发送总线(TX)连接的发送端口。这些公共或者共享的接收和发送总线76、78在精密测量装置40和主机22中的所有模块60，…，62中共享。

如图所示，根据本发明，虽然每个模块的内部典型的涉及利用互连线70、72、74、76、78实现电连接，但这些模块将包含用来将电信号转换成光信号的电-光转换器80、82、84和用来将接收的光信号转换成电信号的光-电转换器86、88、90。同样，主机22具有包括用于相同目的的光-电转换器92、94和电-光转换器96的多个转换器。这样，公共电总线能够通过利用光纤沿着其长度扩展的方式来共享，因此能够减小其整体的电磁干扰(EMI)敏感性。这在动力轨道98和在模块60，…，62之间的互连中尤其有用。这样，不仅信号束的重量和尺寸减小了，而且系统的EMI的整体敏感性也减小了。

现在参照图2和3，我们将认识到设备64，…，66包括上面提及的多个电动机、编码器、探测器、限位开关、温度传感器、伺服器等等，并且与图3所示的各个模块60，…，62连接。其中存在安装在平台和桥上的多个位置传感器，用来提供具有幅度的感应位置信号，这些幅度一起指示出探测器48在被测量的表面上位置。这些感应位置信号在发送线路78上提供给主机22用来在那里进行处理。主机在发送线路78上给各种模块提供致动器控制信号，这些模块根据使用的协议例如适合将这种模块以及传感器和致动器的连网的CAN总线系统解释信号以确定这些信号是否与连接它们的致动器相关联。因此，如图所示，利用使主机和多个模块互连的公共控制总线来传递控制和数据信号，用于驱动各个制动器来相对于平台移动桥部分和相对于桥44移动支撑架部分46，并且利用其接收来自相应的多个位置传感器的感应位置信号，该感应位置信号具有共同指示出探测器48沿着探测器移动的多个轴中的相应的轴移动所接触的点的位置的幅度。最后为了记录表示被测目标物体表面的拓扑图的目的，将这些感应的数据信号在公共总线上从相关联的一个模块或者多个模块传送到主机上。

上述用结合垂直坐标测量机(CMM)叙述的本发明的原理也可以应用到包括已知的门形结构CMM、车间CMM薄壁、车间CMM棱柱等等CMM的其他类型中，也可以应用到其他的具有相同问题的精密测量装置或者工具中。

虽然本发明已经结合了其最优模式实施例进行了显示和说明，但是对于本领域的那些技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上对前述的内容进行不同的其他的变化、删除和增加是可以理解的。

Claims (19)

1.一种装置，包括：

精密测量工具，其包括固定平台和用来沿着位于该平台上的一个目标的表面移动一个探测器的可移动部分，其中将用来移动所述可移动部分的一个致动器装配在所述的平台或者可移动部分上，并且将多个致动器装配在所述的可移动部分上以移动所述的探测器；

多个位置传感器，其装配在所述的平台和所述的可移动部分上用来提供感应位置信号，该感应位置信号的幅度一起指示出所述探测器在所述表面上的位置；以及

控制器，其通过信号线束与所述测量工具物理连接在一起，这些信号线束用来将来自控制器的致动器控制信号传递到致动器中并且将来自位置传感器的感应位置信号传递到控制器中，包含在软导管中的所述信号线束与所述可移动部分分开，能够在可移动部分移动所述探测器时卷起和展开，其特征在于：

这些信号线束包括由所述感应位置信号和致动器控制信号共享的公共总线，以便减小在所述探测器移动期间所述信号线束卷起和展开时由所述信号线束的牵引所引起的所述可移动部分相对于所述固定平台的扭曲。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于用来传递所述致动器控制信号和感应位置信号的信号线束包括光纤。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于所述公共总线包括发送线路和接收线路。

4.根据权利要求3的装置，其特征在于所述公共总线进一步包括同步线路。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于包括所述发送线路、接收线路以及同步线路的所述信号线束是光纤线路。

6.一种用于在控制器和探测器之间的软导管中传递控制和数据信号的方法，其中所述探测器可以沿着一个目标的表面移动以便与装配在测量装置的平台部分上的所述目标的表面物理接触，并且其中所述探测器可以通过所述测量装置的一部分移动，所述软导管能够在探测器移动时卷起和展开，所述的方法包括步骤：

利用使所述的控制器和包括装配在所述部分上的模块的多个模块互连的公共控制总线来在所述公共控制总线上传递所述的控制和数据信号，该传递通过下面的步骤完成，即

在所述的公共控制总线上传输来自所述的控制器的命令信号，由多个致动器模块用来驱动对应的致动器，以便根据所述命令信号在多个轴上移动所述部分和所述探测器，从而在所述表面上沿着一条路线移动持续地与所述表面接触的所述探测器，以提供一个数据信号给一个探测器模块，该信号的幅度指示所述探测器在所述目标的表面上沿所述路线的选定点与所述表面接触，

从相应的多个位置传感器模块提供多个感应位置信号，所述多个感应位置信号具有指示出由所述探测器沿着所述探测器移动的所述多个轴中相应的轴接触的所述点的位置的幅度，以及

在所述公共控制总线上从所述探测器模块和所述位置传感器模块中将所述的数据信号和所述的感应位置信号传递到所述的控制器在记录所述的感应数据信号时使用的所述总线上，其中在所述导管中使用所述公共总线，而不是单独的信号线，以便减小当所述导管卷起和展开时由牵引所引起的所述可移动部分相对于所述平台的扭曲。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括在所述探测器的所述移动的闭环控制中使用所述的感应位置信号的步骤。

8.根据权利要求6的方法，其中所述的公共控制总线包括发送线路和接收线路。

9.根据权利要求8的方法，其中在所述模块和所述控制器之间的所述发送线路和所述接收线路的互连是通过光纤实现的。

10.根据权利要求6的方法，其中在所述模块和所述控制器之间的互连是通过光纤实现的。

11.根据权利要求8的方法，其中所述的公共控制总线进一步包括同步线路。

12.根据权利要求9的方法，其中所述公共控制总线进一步包括同步线路，并且在所述的模块和所述的控制器之间的所述同步线路的互连是通过光纤实现的。

13.一种装置，包括：

平台，其用来支承安装在其上的目标，用以测量该目标的表面；

探测器，其用来沿着所述目标的表面上的一条路线的多个轴移动，用来提供具有幅度的感应信号，这个幅度指示出所述探测器与所述表面物理接触和沿着所述探测器一个轴的所述路线的所述点的位置；

在所述的平台上的可移动部分，以沿着所述路线并且沿着所述多个轴的至少一个移动所述的探测器；

探测器模块，响应于所述的感应信号来根据预选的协议将所述感应信号提供给一条共享总线；

包括安装在所述可移动部分上的相应的多个探测器致动器的多个致动器模块，响应于在所述共享总线上的根据所述协议提供的相应的探测器致动器控制信号，用来沿着所述的路线在所述可移动部分上移动所述探测器；

至少一个可移动部分致动器，响应于一个可移动部分致动器信号来移动在所述平台上的所述可移动部分，以沿着所述路线在所述多个轴的所述至少一个上移动所述探测器；

与相应的多个位置传感器连接的多个位置传感器模块，其用来根据所述的协议在所述的共享总线上提供具有幅度的感应位置信号，所述幅度指示出在所述的探测器沿着所述路线移动期间所述的探测器接触的所述点的位置；以及

用来执行存储的程序的控制器，其用来提供所述的相应的探测器致动器控制信号和所述可移动部分致动器信号并且根据所述预选的协议响应于在所述共享总线上的所述感应位置信号以存储所述感应信号，这些感应信号一起表示出所述表面的拓扑图，其中所述共享总线被提供在与所述可移动部分分开的软导管中，能够在可移动部分移动所述探测器时卷起和展开，以便减小在探测器移动期间导管卷起和展开时由牵引所引起的所述可移动部分相对于所述平台的扭曲。

14.根据权利要求13的装置，其中所述控制器响应根据所述预选的协议在所述共享总线上提供的所述感应位置信号，用于与对应的一个或多个所述探测器致动器控制信号比较，以提供一个或多个对应的误差信号给所述多个探测器致动器中的一个或多个。

15.根据权利要求13的装置，其中所述共享总线包括发送线路和接收线路。

16.根据权利要求15的装置，其中所述探测器模块、所述致动器模块、所述位置传感器模块、和所述控制器之间的所述发送线路和接收线路的互连由光纤实现。

17.根据权利要求13的装置，其中所述共享总线的一部分包括互连所述探测器模块、所述致动器模块、和所述控制器的光纤。

18.根据权利要求15的装置，其中所述共享总线还包括同步线路。

19.根据权利要求16的装置，其中所述共享总线还包括同步线路，且所述模块与所述控制器之间的所述同步线路的互连由光纤实现。

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