[发明专利]提供精确坐标测量的方法、独立基准模块和坐标测量机

说明书

提供精确坐标测量的方法、独立基准模块和坐标测量机。本发明涉及补偿坐标测量机中的误差的方法，该坐标测量机适于确定待测量物体上的测量点的至少一个空间坐标，所述坐标测量机包括：基部；用于接近所述测量点的探头；用于将所述探头连接至所述基部的机器结构，所述机器结构包括至少一个第一结构性部件和至少一个驱动机构，所述至少一个驱动机构可移动地连接所述基部和所述第一结构性部件，以提供所述探头相对于所述基部的可移动性；基准模块，该基准模块包括至少一个第一机械基准元件和分配给第一基准元件的至少一个第一传感器单元；以及适于执行建模功能的控制和处理单元。

技术领域

本发明总体上涉及用于补偿因运动或对(特别是坐标测量机的)测量装置的外部影响而出现的误差，涉及这种测量装置的较简单校准，以及涉及适于证明这种方法的相应装置。

背景技术

通常的做法是，在诸如坐标测量机(CMM)的坐标定位装置上检查生产之后的工件，以便检查预定物体参数的正确性，比如物体的尺寸和形状。

在常规3D坐标测量机中，支撑探头(probe head)，以沿三个相互垂直的轴(沿方向X、Y、Z)移动。由此，可以将探头引导至坐标测量机的测量体积空间中的任何任意点，并且物体可利用由探头所携带的测量传感器(探针)测量。

在该机器的简单形式中，与每个轴平行安装的合适换能器能够确定探头相对于该机器的基部的位置，并因此，确定该物体上的被该传感器接近的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型坐标测量机可以包括在上面设置探头的框架结构以及用于相对于彼此移动框架结构的框架部件的驱动装置。

为了测量表面变化，已知基于触觉传感器和光学传感器的使用的两种测量原理。

一般来说，为提供具有改进测量精度的坐标测量机，其框架结构因此通常被设计成具有高静态刚度。为了实现刚性且坚硬的机器设计，其框架结构或至少一些部分通常由诸如花岗岩的石头制成。除了像热稳定性和良好的阻尼特性的所有正面效果以外，花岗岩还使得机器和可移动框架部件十分沉重。另一方面，高重量也需要高的力来获得合适的加速。

如果采用这种技术，仍然存在几个可能的误差源。当相对于另一部件移动一个框架部件时，机器部件的共振或振动只是动态误差的两个示例。

此外，要考虑从来自机器外部的振动出现的误差。另外，可能会发生像缺少运动平直度和缺乏轴的正交性，或者线性驱动机构中的侧向偏移的静态误差。同样，如因(例如，因太阳辐射或内部或外部热源而引起的)温度变化而造成的温度漂移、因缆索力及其变化的力而造成的滞后效应、以及部件重量可能是相关的影响。

根据许多方法，所提到的误差仅被静态分析，尽管它们还包括取决于轴的运动的动态因子，特别是取决于移动轴时的位置、速度、加速度以及加加速度(jerk)的动态因子。利用速度相关的校准，该事实以相当简单且僵硬的方式被考虑在内。虽然可以通过使用位置校准矩阵在数字上减少静态误差，但当尝试补偿动态误差时，事情会变得更加复杂。

在这种情况下，例如，必须考虑到机器的一个轴(其可以移动其他垂直轴和探头)的加速度可以引起坐标测量机的整个框架的线性和角动态偏斜(deflection)，这转而导致测量不确定性和误差。这些动态测量误差可以通过在低加速度下进行测量(例如，通过因此优化的期望运动轨迹)来减少。

已知的方法是通过称作输入整形的技术来尝试抑制由机器加速引起的偏斜、振动和/或振荡，所述技术控制调节变量(例如，推进马达的力和电流)，以便通过关于到驱动致动器控制的输出的相应操纵变量而绕开机械共振，并避免共振频率或者甚至主动反作用力振荡(counterforce oscillation)的刺激。

作为控制的一种形式，模型预测控制(其中，使用设备(plant)的当前状态作为初始状态，通过在每个采样时刻求解有限阶段的开环最优控制问题来获取当前控制动作)可以被应用于CMM。优化产生最佳控制序列，并且然后将序列中的第一控制应用于设备。