CN1961195A

CN1961195A - 用于坐标测量的装置和方法

Info

Publication number: CN1961195A
Application number: CN 200580017109
Authority: CN
Inventors: R·哈格尔; H·雷特; E·斯特拉塞
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: CN100483070C

Abstract

本发明涉及用于坐标测量的装置和方法，具有在接触工件时产生开关信号的探头(10)、用于每个要测量的坐标轴的位置测量单元(20)以及以调节器时钟信号(32)的时间间隔时间离散地工作的处理单元(30)，其中利用所述位置测量单元(20)可以测量探头(10)的相对位置。为了测量坐标，以采样时钟信号(23)的时间间隔测量位置测量值，其中所述采样时钟信号由采样时钟发生器(22)产生并且具有比处理单元(30)的调节器时钟信号(32)更高的频率。位置测量值被存储在位置数据存储器(24)中。在时间测量单元(34)中测量调节器时钟信号(32)的脉冲直到在开关探头(10)上出现开关信号之间的时间段(Δt)。最后根据已测量的时间段(Δt)在处理单元(30)中或在位置测量单元(20)中确定在位置数据存储器(24)中最接近于开关信号的时刻的位置值。

Description

用于坐标测量的装置和方法

本发明涉及用于在工件上进行坐标测量的装置和方法。

在数控机床、特别是铣床中经常使用开关探头，以便实施自动化坐标测量。这种探头具有探针，如果探针接触障碍物、比如工件的表面，则所述探针触发一个开关事件。自动化测量的典型应用领域是使工件对齐、设置基准点、测量工件用于质量控制、以及使三维工件表面数字化。

为了实施测量，代替刀具在刀具主轴上使用探头。由此机床的数字控制装置可以使探头定位在不同的坐标轴中。为了测量坐标，由数字控制装置控制探头向工件移动，直到一个开关事件表明已经到达工件表面为止。这个过程被称作触摸过程。在触摸过程期间，以由数字控制装置的循环时间所确定的时间间隔连续地利用位置测量仪来测量探头在要测量的坐标中的空间位置，并把位置值传输给数字控制装置。数字控制装置需要把该位置值作为位置实际值用于其内部调节电路。通常的循环时间例如处于50μs的数量级。

由于在这种方法中时间离散地以固定的时间间隔确定位置值，而开关事件与此非同步出现，所以产生测量误差，其中触摸速度越高或循环时间越长，所述测量误差越大。这种测量误差相加成机床的总的测量误差并且因此使整个系统的质量变差。如果例如假设上述循环时间为50μs并且触摸速度为1m/min，则得出最大的位置误差为大约0.83μm。这对应于探头在1m/min的触摸速度下在50μs内经过的路段。在该数量级内的附加位置误差在很多情况下是不可接受的。

由于不可能影响按照现有技术已知的数字控制装置的循环时间，所以降低探测速度大多是降低由于时间离散的工作方式而产生的附加位置误差的唯一的可能性。但是这也导致了较低的生产量并因此导致降低经济效益。

EP0073495B1描述了在高探测速度和小位置误差之间的折衷方案。在此建议了一种坐标测量用的方法，在该方法中以高的触摸速度实施第一触摸，接下来探头再从工件表面移开一小段距离并且以较低的触摸速度重复触摸。由于在第二触摸过程中较低的触摸速度而实现较高的精确度。这种方法的缺点是，对数字控制装置的程序设计提出较高的要求，并且由于两次方向变换而仅仅可以不显著地降低时间耗费。

因此本发明的任务是，给出一种坐标测量用的方法，该方法具有高的触摸速度和高的精确度。

通过按照权利要求1的方法解决该任务。从从属于权利要求1的权利要求中得出该方法的有利细节。

另外本发明的任务是，给出一种用于坐标测量的装置，利用所述装置可以在有高精确度的同时以高的触摸速度进行工件的坐标测量。

通过按照权利要求6的、用于坐标测量的装置解决该任务。从从属于权利要求6的权利要求中得出用于坐标测量的装置的有利细节。

现在建议一种用于坐标测量的装置，所述装置具有：探头，所述探头在接触工件时产生开关信号；用于每个要测量的坐标轴的位置测量单元，利用所述位置测量单元可以测量探头的相对位置；以及处理单元，该处理单元以调节器时钟信号的时间间隔、时间离散工作。为了测量坐标，以采样时钟信号的时间间隔测量位置测量值，该采样时钟信号由采样时钟发生器产生并且具有比处理单元的调节器时钟信号更高的频率。位置测量值被存储在位置数据存储器中。在时间测量单元内确定在调节器时钟信号的脉冲直到开关信号在开关探头上的出现之间的时间段Δt。最后根据已测量的时间段Δt在处理单元内或在位置测量单元内确定在位置数据存储器中最接近开关信号的时刻的位置值。

如果采样时钟发生器和用于存储位置值的位置数据存储器处于位置测量单元中，则是特别有利的，因为于是显著降低了必须从位置测量单元传输到处理单元的位置值的数目。如果在位置测量单元和处理单元之间经过串行接口进行数据传输，则是特别适用的。

此外，如果使采样时钟信号与调节器时钟信号同步，则是有利的，以便在开关事件的出现和位置测量值之间建立时间准确的联系，其中所述开关时间的出现相对于处理单元的调节器时钟信号被测量。

从根据附图对用于坐标测量的装置和用于坐标测量的方法的以下描述中得出本发明的另外的优点以及细节。在此：

图1示出了根据本发明的坐标测量用的装置的一个优选实施形式的框图，

图2示出了根据本发明的坐标测量用的装置的另一实施形式的框图，和

图3示出了根据本发明的坐标测量用的装置第三实施形式的框图，

图4示出了用于阐述根据本发明的坐标测量用的方法的时间过程的时间曲线图。

图1示出了根据本发明的坐标测量用的装置的一个优选实施形式的框图。所述装置包括具有探针12的探头10、用于每个要测量的坐标轴的位置测量单元20、以及处理单元30。

如果探针12在接触到工件时被偏转，则探头10产生开关信号。该开关信号经过接线(Schaltleitung)11到达处理单元30并且发信号告知触摸过程结束。接线11不仅可以是传统的电缆连接而且也可以是红外线传输线路。

处理单元30原则上是数字控制装置。所述处理单元此外还包含调节电路，其适合于控制定位探头10的传动装置。这种数字控制装置是已知的，并且不是本发明的主题。因此在下面仅仅描述对本发明重要的功能。

在处理单元30中存在调节器时钟发生器31、控制单元33和时间测量单元34。

调节器时钟发生器31用调节器时钟信号32为控制单元33提供一个时基，所述时基确定控制单元33中的调节电路以哪一个频率工作、或者以哪一个时间间隔向位置测量单元20请求位置测量值。调节器时钟信号32的周期持续时间也被称作循环时间。

控制单元33控制触摸过程。为了请求并传输位置测量值，所述控制单元经过第一数据传输信道35与位置测量单元20连接。在该优选实施形式中以串行方式进行数据传输。

时间测量单元34用于测量在调节器时钟周期的开始和在探头10处的开关事件之间的时间段Δt。在此，通常选择调节器时钟信号32的上升沿或者下降沿作为调节时钟周期的开始。时间测量单元34经过第二数据传输信道36与控制单元33相连接。此外，探头10的开关信号经过接线11被供给所述时间测量单元。经过第二数据传输信道36，控制单元33在每个调节器时钟周期开始时复位并重新启动时间测量单元34。此外经过第二数据传输信道35用信号告知控制单元33开关事件的到达并且传递时间段Δt。

位置测量单元20包括位置测量仪21、采样时钟发生器22、位置数据存储器24和接口单元25。虽然在图1中仅仅示出了一个位置测量单元20，可是按要测量的坐标轴的数目需要多个位置测量单元20对于技术人员而言是显而易见的。

不仅采样时钟发生器22处于位置测量单元20中，而且位置数据存储器24也处于位置测量单元20中，这是特别有益的，因为由此降低了必须传输给处理单元30的位置值的数目。如果在位置测量单元20和处理单元30之间经过串行接口进行数据交换，则是特别有益的。如果数据传输率例如为2Mbit/s，则32位宽的位置值的串行传输持续至少16μs。如果采用上面已经提到的50μs作为处理单元30的循环时间，则这将意味着调节器时钟信号32的每周期仅仅可以最多测量两个附加的位置值。通过在图1中所建议的位置测量单元20的结构回避这种限制。

已知的设备可以被用作位置测量仪21，其中所述设备以数字形式提供位置数据。采样时钟发生器22产生采样时钟信号23，其预先确定时间帧，以该时间帧在触摸过程期间向位置测量仪21请求位置值。在此，采样时钟信号23具有比调节器时钟信号32更高的频率。在此，如果为采样时钟信号23的频率选择调节器时钟信号32的频率的整数倍，则是特别有益的。此外有益的是，使采样时钟信号23与调节器时钟信号32同步，以便在这两个时钟信号之间建立准确的时间联系。

接口单元25经过第一数据传输信道35与控制单元33相连接。通过接口单元25可以向位置数据存储器24中或者直接向位置测量仪21请求位置值，并且所述位置值可以被传输给控制单元33。此外该接口单元给采样时钟发生器22提供同步信号26，并且如果经过第一数据传输信道35给该接口单元传递相应的命令，则停止位置值的检测与存储。

位置数据被保存在位置数据存储器24中。位置数据存储器24必须至少包含如此多的存储单元，使得在结束触摸过程之后时间上最接近于触摸时刻的位置值处在位置数据存储器中。可以重写包含不再需要的位置值的存储单元。因此，如果位置数据存储器24被实施为循环可重写的环形存储器，也就是说当前要存储的位置值重写在位置数据存储器24中最旧的、不再需要的位置值，则是有益的。

围绕下面的实例来阐述对位置数据存储器24的存储器需求的确定。如果采样时钟信号23的频率对应于调节器时钟信号32的频率的十倍，并且以调节器时钟信号32的周期持续时间的间隔在时间上离散地在处理单元30和位置测量单元20之间进行通信，则每调节器时钟周期必须存储十个位置值。这是基于，探头10的开关信号可能在两个通信时刻之间的任意时刻到达。在位置数据存储器24中的每一个从处理单元30对位置测量单元20最后存取起已被测量的所述位置值因此可能是最接近开关信号的位置值。

在触摸过程中由处理单元30控制探头10向要测量的工件移动。在此，控制单元33以调节器时钟信号32的周期持续时间的时间间隔连续地经过第一数据传输信道35和接口单元25向位置测量仪21请求位置值。控制单元33需要这些位置值作为用于控制传动装置的调节电路的位置实际值。在位置数据请求到达时，接口单元25通过同步信号26使采样时钟信号23与调节器时钟信号32同步。此外，由控制单元33经过第二数据传输信道36在每个调节器时钟周期的开始时复位并重新启动时间测量单元34。与此同时以采样时钟信号23的周期持续时间的时间间隔测量位置值并且将其保存在位置数据存储器24中。

当探针在接触工件的情况下已经被偏转时，探头10通过接线11上的信号告知处理单元30。于是控制单元33停止传动装置，并且在调节器时钟周期的开始和开关事件之间的时间段Δt被记录在时间测量单元34中。此外必须通知位置测量单元20：不再需要另外的位置数据。这例如可以在图1中通过经由第一数据传输信道35给接口单元25传输命令字来实现。对此可替代的是，接线11可以附加地与位置测量单元20相连接(未示出)，并且在开关事件的情况下停止采样时钟发生器22。

借助于时间段Δt和已知的在调节器时钟信号32和采样时钟信号23之间的时间关系，在位置数据存储器24中最接近于开关事件的位置值此时可以在控制单元33中被确定，并且为了进一步处理将该位置值经过第一数据传输信道35和接口单元25传输给控制单元33。

在确定最接近于开关事件的位置值的情况下，如果开关信号直到到达处理单元30中的渡越时间(Laufzeit)一起被包括，则是特别有益的。如果接线11不被构造为电线、而是被构造为无线传输线路，则这是特别适用的，在该无线传输线路的情况下例如借助于红外光脉冲传输开关信号。开关信号的渡越时间例如可以被存储在控制单元内。对信号渡越时间的确定不是本发明的主题。

图2示出了根据本发明的坐标测量用的装置的另一实施形式的框图。与在图1中示出的实例不同，在图2中每个位置测量单元20附加地包含分析单元27。另外的结构对应于图1中的那种结构。相同的元件具有相同的附图标记。不再阐述相同的元件。

如果探头10经过接线11告知处理单元30：已经到达工件的表面，则在该实施形式中最接近于触摸时刻的位置值不是在处理单元30中由控制单元33确定，而是在位置测量单元20中由分析单元27确定。为了这个目的，控制单元33把由时间测量单元34测量的时间段Δt经过第一数据传输信道35和接口单元25传输给分析单元27。该分析单元根据时间段Δt确定在位置数据存储器24中最接近于触摸时刻的位置值并且把该位置值传输给处理单元30。

在该实例中可以按以下方式考虑开关信号的渡越时间，即或者控制单元33以信号渡越时间来修正所测量的时间段Δt并且将已修正的值传输给分析单元27，或者分析单元27在确定事件时将信号渡越时间一起计算在内。

对于这个方法特别有益的是，由此显著减轻了在触摸过程中被强烈加载的控制单元33的负荷。

最后图3示出了本发明第三实施例的框图。与前面的实例相比较，时间测量单元34不再处于处理单元30中。代替其而此时在每个位置测量单元20中设置时间测量单元34。同在图2的实施形式中一样，在图3的实例中位置测量单元20也包含分析单元27。其他的结构对应于图1的那种结构，因此不再对其进行描述。相同的元件具有相同的附图标记。

接线11与每一个时间测量单元34相连接并且与处理单元30中的控制单元33相连接，其中探头10经过该接线输出开关信号。在此，至时间测量单元34的连接用于在出现开关信号的情况下停止时间测量。经过接线11告知控制单元33：触摸过程结束，并由此可以停止传动装置并且可以向位置测量单元20请求配属于触摸事件的位置值。由于在该实施例中接线11与多个空间上彼此分离布置的元件相连接，所以如果不是通过电线、而是通过无线传输线路实现连接，则是特别有益的。例如可以通过高频发射与接收单元或者也可以通过红外发射机和接收机形成适当的无线传输线路。

在位置测量单元20内部，同步信号26不仅仅被输送到采样时钟发生器22而且也被输送到时间测量单元34。由此在每个位置数据请求时均可以复位时间单元34。此外由于以调节器时钟信号32的时间间隔、时间离散地实现位置数据请求，因此在时间测量单元34中此外也能够测量在调节器时钟信号32的脉冲和在开关探头10上的开关信号的出现之间的时间段Δt。

时间测量单元34与分析单元27经过第二数据传输信道36相连接。经过该第二数据传输信道可以把利用时间测量单元34所测量的时间段Δt传输给分析单元27。利用该信息使分析单元27再次能够确定在位置数据存储器24中最接近于在开关探头10上出现开关信号的时刻的位置值。在该实施例中，如果分析单元27在确定最接近于开关事件的位置值时考虑开关信号的渡越时间，则是有益的。或者可以自动地或者基于处理单元30的请求从分析单元27经过接口单元25和第一数据传输信道35将所得到的位置值传输给控制单元33。

由于在该实施形式中此时也在位置测量单元20中检测时间段Δt，所以与前面的实例相比进一步减轻了处理单元20的负荷。

图4示出了根据本发明的坐标测量方法的简化的时间曲线图，在该时间曲线图中再一次详细地示出了在调节器时钟信号32、采样时钟信号23和探头10的接线11之间的时间关系。在该实例中，采样时钟信号23具有调节器时钟信号32的十倍频率。

在时刻t₁，调节器时钟周期开始于调节器时钟信号32的上升沿。在该时刻通过第二数据传输信道36复位并重新启动时间测量单元34。此外由控制单元33经过第一数据传输信道35和接口单元25向位置测量单元20请求位置值。在请求位置数据的同时，通过同步信号26使采样时钟信号23与调节器时钟信号32同步。接下来在时刻t₁、t₂、...、t₁₀在位置测量单元20的位置测量仪21中分别测量位置值并且将其保存在位置数据存储器24中。

在时刻t_k，接线11上的电平变换告知：探针12与工件接触。于是停止在时间测量单元34中的时间测量，并且以已测量的时间段Δt的形式提供与调节器时钟信号32的上升沿有关的开关信号的准确时刻。该时间段Δt经过第二传输信道36被传输给控制单元33，该控制单元接下来确定最接近于开关事件的位置值。在图4的实例的情况下在时刻t₉已被测量的位置值最接近于接触时刻t_k并且由此表示触摸过程的结果。最后该位置值可以经过第一数据传输信道35被传输给控制单元33并且在那里被进一步处理。

由于给在位置数据存储器24中的位置值分配准确的测量时刻t₁、t₂、...、t₁₀所以可以通过内插法进一步改善结果的精确度。为此需要在接触时刻t_k之前的位置值和之后的位置值以及时间段Δt的值。由于在触摸过程期间探头10的进给速度可以被假设为是恒定的，因此得出在两个位置值之间的线性关系，通过这种线性关系可以内插在经过时间段Δt之后的准确的位置值。

与此类似，在应用已确定的最接近于接触时刻t_k的位置值、时间段Δt和已知的触摸速度的情况下，能够通过外推法改善结果的精确度。

用于坐标测量的装置的、以及用于在工件上进行坐标测量的方法的所述实施形式在本发明的范围内当然能够被改变并且匹配最不相同的要求。

Claims

1.利用用于坐标测量的装置在工件上进行坐标测量的方法，所述装置包括在接触工件时产生开关信号的探头(10)、用于每个要测量的坐标轴的位置测量单元(20)、以及以调节器时钟信号(32)的时间间隔在时间上离散地工作的处理单元(30)，其中利用所述位置测量单元(20)可以测量所述探头(10)的相对位置，所述方法具有以下步骤：

·以采样时钟信号(23)的时间间隔测量位置值，所述采样时钟信号具有比处理单元(30)的调节器时钟信号(32)更高的频率，

·在位置数据存储器(24)中存储所述位置值，

·在时间测量单元(34)内测量在调节时钟信号(32)的脉冲直到开关信号在开关探头(10)上的出现之间的时间段(Δt)，以及

·在处理单元(30)中或在位置测量单元(20)中根据已测量的时间段(Δt)从在位置数据存储器(24)中已存储的位置值中确定最接近于开关信号的时刻的位置值。

2.按照权利要求1的方法，其中所述采样时钟信号(23)的频率是所述调节器时钟信号(32)的频率的整数倍。

3.按照权利要求1或2的方法，其中使所述采样时钟信号(23)与所述调节器时钟信号(32)同步。

4.按照上述权利要求之一的方法，其中通过内插法在应用直接在开关信号到达处理单元(30)之前与之后的两个位置值和所测量的时间段(Δt)的情况下进一步改善精确度。

5.按照上述权利要求之一的方法，其中通过外推法在应用最接近于开关信号到达处理单元(30)的时刻的位置值、探头(10)的已知的进给速度和所测量的时间段(Δt)的情况下进一步改善精确度。

6.用于在工件上进行坐标测量的装置，包括在接触工件时产生开关信号的探头(10)、用于每个要测量的坐标轴的位置测量单元(20)、以及以调节器时钟信号(32)的时间间隔在时间上离散地工作的处理单元(30)，利用所述位置测量单元(20)可以测量探头(10)的相对位置，其中

·在至少一个采样时钟发生器(22)内可产生采样时钟信号(23)，所述采样时钟信号(23)具有比处理单元(30)的调节器时钟信号(32)更高的频率并且控制在位置测量单元(20)中的位置值测量，

·存在至少一个位置数据存储器(24)，在所述位置数据存储器中可以存储位置值，

·开关信号被输送到时间测量单元(34)，利用所述时间测量单元可以测量在调节器时钟信号(32)的脉冲直到开关信号的到达之间的时间段(Δt)，

·处理单元(30)或每个位置测量单元(20)包含装置，以便根据所测量的时间段(Δt)中确定在位置数据存储器(24)中最接近于开关信号到达的时刻的位置值。

7.按照权利要求6的用于坐标测量的装置，其中在每个位置测量单元(20)中存在用于产生采样时钟信号(23)的采样时钟发生器(22)。

8.按照权利要求6或7的用于坐标测量的装置，其中可以使所述采样时钟信号(23)与所述调节器时钟信号(32)同步。

9.按照权利要求6至8之一的用于坐标测量的装置，其中在每个位置测量单元(20)中存在位置数据存储器(24)。

10.按照权利要求6至9之一的用于坐标测量的装置，其中接口单元(25)是串行接口。