用于确定工具定位机器的状态的系统技术方案

本发明专利技术涉及用于确定工具定位机器的状态的系统。一种用于提供工具定位机器(5)的至少一部分的状态信息的系统，所述工具定位机器(5)被实施为操纵机器或者被实施为坐标测量机器。所述系统包括所述工具定位机器(5)，该工具定位机器(5)限定机器坐标系统并且具有基座(31)和机器结构。该机器结构包括：工具头和用于将所述工具头联接至所述基座的结构部件(32‑34)；至少一个驱动机构，用于提供所述机器结构相对于所述基座(31)的运动性的；位置确定系统，用于获得所述机器结构在所述机器坐标系统中的至少一个坐标；和控制单元，该控制单元适合于控制所述机器结构的运动。所述系统包括校准装备，该校准装备包括至少两个校准部件。

A system for determining the state of a tool positioning machine

The present invention relates to a system for determining the state of a tool positioning machine. A system for providing at least part of the state information of a tool positioning machine (5), which is implemented as a manipulation machine or a coordinate measuring machine. The system comprises the tool positioning machine (5), which defines the machine coordinate system and has a base (31) and a machine structure. The machine structure includes: a tool head and a structural component (32 34) for connecting the tool head to the base; at least one driving mechanism for providing the motion of the machine structure relative to the base (31); a position determination system for obtaining at least one coordinate of the machine structure in the machine coordinate system; and a control unit, which is suitable for the control unit. It is suitable for controlling the movement of the machine structure. The system includes a calibration equipment which includes at least two calibration components.

【技术实现步骤摘要】
用于确定工具定位机器的状态的系统
本专利技术总体上涉及用于补偿坐标测量机器(CMM)中的长期偏差的方法和系统。
技术介绍
通常的实践是在生产之后在诸如坐标测量机器(CMM；举例来说，用于定位机器)之类的坐标定位设备上检验工件，以便检查预定物体参数(如物体的尺寸和形状)的正确性。在传统的3D坐标测量机器中，探头被支撑成沿着三个相互垂直的轴线(在方向x、y和z上)运动。由此，能够将探头引导到坐标测量机器的测量空间的空间中的任何任意点，并且可利用由探头承载的测量传感器(探针)测量物体。在这种机器的一种简单形式中，与每个轴线平行地安装的适当换能器能够确定探头和所设置的探针相对于机器的基座的位置，并因此能够确定该探针接近的物体上的测量点的坐标。为了提供探头的可动性，典型的坐标测量机器可以包括布置探头的框架结构和用于使该框架结构的框架部件相对于彼此移动的驱动装置。为了测量表面变化，已知基于使用触觉传感器和光学传感器的两种测量原理。一般来说，为了给坐标测量机器提供高测量精度，其框架结构因此通常被设计成具有高静态刚度。为了实现刚硬且刚性的机器设计，框架结构或其至少多个部分经常由诸如花岗岩之类的石头制成。除了诸如热稳定性和良好的阻尼特性之类的积极作用之外，花岗岩或其他刚硬材料还使得机器和可动框架元件相当笨重。另一方面，较高重量也使得合适的加速度也需要较高的力。然而，减轻重量是与坐标测量机器设计有关的主题，因为如果将机器部件构建成包括较小重量(因此较低刚度)，就能够通过引起影响坐标测量机器的更少的力实现相应部件的更快定位。另一方面，随着这些零件的重量减轻，由刚度减小和机器(更快)运动引起的机器振动和扭曲的影响增加。因而，由于这些变形和振动而发生的获得测量值和误差的不确定性也相应地增加。因此，虽然特别是考虑到重量减轻，但是也对于传统机器，精确误差处理仍是重要的方面。对于两种方案(重量较重和重量较轻)，相应CMM的初始校准程序对于确定相应系统的静态误差和可重复误差尤其必要。为了维持即稳定又精确的测量要求，由于考虑到随着时间而影响测量系统的外部影响，例如环境参数(温度、湿度等)的改变或机械冲击，优选在限定间隔内进行这种校准。CMM的校准可以提供模型的改进，该模型描述在一定条件下CMM的静态和/或动态行为。由此，当前校准参数可以用于实现限定模型以便更精确地并且适合当前条件地描述CMM的行为。典型地，通过校准程序获得所谓的补偿图，其中该补偿图提供通过测量物体的测量点获得的每个测量值的补偿。这种图可以被设计为一种查找表，即，对于CMM的每个轴线的每个坐标或对于CMM的每个轴线的限定坐标步长，提供对应的补偿值，并且将原始测量值替换为被补偿的测量值。另选地，确定指定方程，并且将这些方程应用于测量出的位置值以计算对应的校正值，因而提供一种补偿图。对于误差处理，例如，EP1559990公开了一种坐标测量系统和方法，该方法校正在坐标测量机器中测量的坐标，并且在不同重量的零件安装在坐标测量机器上的同时测量几何误差。从按照零件重量测量的结果获得补偿参数并存储。与待测量零件的重量对应的补偿参数被适当读出以对待测量零件的测量坐标进行校正。再举例来说，EP1687589公开了一种坐标测量机器中的误差补偿方法，该坐标测量机器包括具有表面检测装置的铰接探头。该表面检测装置在测量过程中围绕铰接探头的至少一个轴线旋转。该方法包括如下步骤：确定设备的整体或一部分的刚度；确定一个或多个因素，所述一个或多个因素与在任何具体时刻由铰接探头施加的载荷有关；以及确定由该载荷在表面感测装置处引起的测量误差。此外，可以考虑将用来测量的探针类型以及每个探针本身(由于探针组件的给定变化)的附加影响。在下文中，解决用于进行触觉测量的触摸探针。为触摸探针获得补偿图可能相当耗时，这是因为通常需要测量特定人工制品上的多个测量点。该人工制品优选被设计为球体。另一个方面是CMM或另选的定位机器(如计算机控制的操纵器，例如铣床或焊接机器或机器人)中的长期漂移。这种漂移可能针对相应的机器轴线带来位置确定误差。漂移可能由于热、湿度或机械影响而发生，并且特别地随着相对长的时间周期而适度地增加。这种误差通常通过在限定时间间隔中对相应机器进行现场校准来解决。从本领域中已知的常用方法是：将校准球体放置在机器的测量容积内，并且通过附装的测量工具来测量球体的公知尺寸。根据测量结果的拟合，特别是与之前测量结果的比较，能够识别并补偿相应的负面影响。然而，这种测量相当耗时，并且经常涉及到将整个生产过程都停工。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种用于处理定位机器的长期误差的改进方法和/或系统。另一个目的是提供一种用于在限定间隔内以优化的时间管理和精度，特别是与现有技术相比以至少相同精度更快地对定位机器进行校准的改进系统。又一个目的是提供一种校准定位机器的改进方式。这些目的通过实现独立权利要求的特征实现。以另选或有利方式进一步发展本专利技术的那些特征在从属专利权利要求中描述。本专利技术涉及一种减少或避免定位机器的典型长期误差的方案。该想法是使用特定的校准人工制品，该校准人工制品被设计成在正被测量的情况下提供准确位置信息。而且，可以由所述人工制品提供的标称校准位置应该可由定位机器访问和测量。更详细地说，标称校准位置可以由校准人工制品或触摸工具提供，其中所述人工制品或相应地触摸工具(模块化地或固定地)布置成与所述定位机器成已知空间关系或布置在所述定位机器处。所述标称校准位置在机器坐标中是精确已知的。作为配对物，在所述移动机器侧附加地设置可动参考点，即所述可动参考点可以通过可控的机器结构改变和移动。所述可动参考点可以分别通过所述触摸工具或所述人工制品提供，作为提供所述标称校准位置的部件的相应配对物。为了对所述定位机器进行校准或重新校准，接近所述可动参考点，特别地使所述可动参考点与所述标称校准位置对应或重合。因此可以关于所述参考点获得所述标称校准位置的位置，即可以获得所述标称校准位置的实际机器坐标。由于标准校准位置的位置在绝对机器坐标中是已知的，即与机器状态无关，所以可以将所述标称校准位置的实际机器坐标与这些绝对机器坐标进行比较，并且能够获得实际机器状态(例如，与标准的偏差)。例如通过机器编码器获得的实际机器坐标可以与标称校准位置相关坐标(时间)同步。所述校准部件被设计为对应的配对物。具体而言，所述校准人工制品被设计成使得如果该人工制品在其期望方向或位置被典型的触摸工具触摸，则获知人工制品相关触摸点。这个点可以取决于触摸工具的顶端(例如球形)的直径。所述校准人工制品可以包括两个触摸区域，所述两个触摸区域用于通过特别地使用限于在二维中即在一个平面中运动的机器提供良好限定并且精确地已知的人工制品相关触摸位置或触摸线。当利用2D机器的触摸工具同时接触所述两个触摸区域时，工具相关参考点优选与人工制品相关触摸位置或人工制品相关触摸线重合。所述校准人工制品可以另选地包括用于提供良好限定并且精确已知的人工制品相关触摸位置或触摸线的三个触摸区域(也用于使机器能够提供3D运动)。换言之，利用触摸工具同时触摸三个触摸区域时，工具相关参考点优选与人工制品相关触摸位置或者与人工制品相关触摸线重合。本专利技术涉及一种用于提供工具定位机器的至少一部分的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提供工具定位机器(5)的至少一部分的状态信息的系统，所述工具定位机器(5)被实施为操纵机器特别是机床或者被实施为坐标测量机器，所述系统包括：●所述工具定位机器(5)，该工具定位机器(5)限定机器坐标系统并且具有：●基座(31)；●机器结构，特别是门式或SCARA型机器结构，该机器结构包括：□工具头；□用于将所述工具头联接至所述基座的结构部件(32‑34)；●至少一个驱动机构，该至少一个驱动机构用于提供所述机器结构相对于所述基座(31)的运动性；●位置确定系统，该位置确定系统用于获得所述机器结构特别是所述工具头在所述机器坐标系统中的至少一个坐标；以及●控制单元，该控制单元适合于控制所述机器结构的运动；以及●校准装备，该校准装备包括至少两个校准部件，所述至少两个校准部件由：□触摸工具(15，25，26，35)；和□校准人工制品(11，11’，21，22)提供，其特征在于，●所述至少两个校准部件中的一个校准部件安装在所述机器结构上并且限定可动参考点，该可动参考点的实际坐标通过所述位置确定系统获得；●所述至少两个校准部件中的另一个校准部件布置成与所述基座(31)成限定空间关系，并且提供标称校准位置(13)；●所述校准人工制品(11，11’，21，22)包括相对于彼此横向排列的至少两个触摸区域(12a‑12c)；并且●所述校准人工制品(11，11’，21，22)和所述触摸工具(15，25，26，35)布置成能通过所述机器结构相对于彼此移动，从而能提供所述触摸工具(15，25，26，35)与所述至少两个触摸区域(12a‑12c)的同时接触。...

【技术特征摘要】
2017.10.10 EP 17195753.31.一种用于提供工具定位机器(5)的至少一部分的状态信息的系统，所述工具定位机器(5)被实施为操纵机器特别是机床或者被实施为坐标测量机器，所述系统包括：●所述工具定位机器(5)，该工具定位机器(5)限定机器坐标系统并且具有：●基座(31)；●机器结构，特别是门式或SCARA型机器结构，该机器结构包括：□工具头；□用于将所述工具头联接至所述基座的结构部件(32-34)；●至少一个驱动机构，该至少一个驱动机构用于提供所述机器结构相对于所述基座(31)的运动性；●位置确定系统，该位置确定系统用于获得所述机器结构特别是所述工具头在所述机器坐标系统中的至少一个坐标；以及●控制单元，该控制单元适合于控制所述机器结构的运动；以及●校准装备，该校准装备包括至少两个校准部件，所述至少两个校准部件由：□触摸工具(15，25，26，35)；和□校准人工制品(11，11’，21，22)提供，其特征在于，●所述至少两个校准部件中的一个校准部件安装在所述机器结构上并且限定可动参考点，该可动参考点的实际坐标通过所述位置确定系统获得；●所述至少两个校准部件中的另一个校准部件布置成与所述基座(31)成限定空间关系，并且提供标称校准位置(13)；●所述校准人工制品(11，11’，21，22)包括相对于彼此横向排列的至少两个触摸区域(12a-12c)；并且●所述校准人工制品(11，11’，21，22)和所述触摸工具(15，25，26，35)布置成能通过所述机器结构相对于彼此移动，从而能提供所述触摸工具(15，25，26，35)与所述至少两个触摸区域(12a-12c)的同时接触。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，●所述校准人工制品(11，11’，21，22)包括相对于彼此横向排列的至少三个触摸区域(12a-12c)；并且●所述校准人工制品(11，11’，21，22)和所述触摸工具(15，25，26，35)布置成能通过所述机器结构相对于彼此移动，从而能提供所述触摸工具(15，25，26，35)与所述至少三个触摸区域(12a-12c)的同时接触，特别地其中所述校准人工制品(11，11’，21，22)包括三个球形元件(11a-11c，21a-21c)，特别是球体或半球体，其中所述三个球形元件(11a-11c，21a-21c)提供所述至少三个触摸区域(12a-12c)，特别是触摸点。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，●所述触摸工具(15，25，26，35)安装在所述工具头上或所述结构部件中的一个结构部件上且限定所述可动参考点，并且所述校准人工制品(11，11’，21，22)布置成与所述基座(31)成限定空间关系，特别是布置在所述基座处，其中：□所述校准人工制品(11，11’，21，22)的位置参照所述机器坐标系统是已知的；并且□所述校准人工制品(11，11’，21，22)通过所述至少两个触摸区域(12a-12c)提供所述标称校准位置(13)；或者●所述校准人工制品(11，11’，21，22)安装在所述工具头或所述结构部件中的一个结构部件上且通过所述至少两个触摸区域(12a-12c)提供所述可动参考点，并且所述触摸工具(15，25，26，35)布置成与所述基座(31)成限定空间关系，特别是布置在所述基座处，其中所述触摸工具(15，25，26，35)的位置和所述标称校准位置的位置参照所述机器坐标系统是已知的。4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，●所述至少两个校准部件中的安装在所述工具头或所述结构部件中的一个结构部件上的一个校准部件的位置能通过所述位置确定系统参照所述机器坐标系统确定，从而能在潜在机器误差的限度内获得所述可动参考点的相应坐标；●所述至少两个校准部件中的另一个校准部件的位置参照所述机器坐标系统是已知的，从而在所述机器坐标系统中提供所述标称校准位置(13)；并且●所述控制单元适合于提供第一位置接近以在所述潜在机器误差的限度内使所述可动参考点与所述标称校准位置(13)重合。5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，●所述工具定位机器(5)包括力检测单元，该力检测单元适合于记录在至少一个方向上施加在如下位置的力，特别是触摸力(F)：□所述工具头部；或者□所述至少两个校准部件中的安装在所述工具头上或者所述结构部件中的一个结构部件上的一个校准部件；或者□所述至少两个校准部件中的布置成与所述基座(31)成限定空间关系的另一个校准部件，和/或●所述触摸工具(15，25，26，35)被实施为触摸探针或实施为触摸触发探针，和/或●所述系统包括预加载固定元件，该预加载固定元件提供触摸力的施加，从而提供所述触摸工具(15，25，26，35)与所述至少两个触摸区域(12a-12c)的同时接触，特别地其中所述预加载固定元件包括弹簧。6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制单元适合于：●移动所述机器结构特别是所述工具头，从而通过改变所述校准部件的相对位置将通过所述触摸工具(15，25，26，35)和所述触摸区域(12a-12c)的相互作用施加的触摸力(F)设定成对于每个所述触摸区域(12a-12c)来说都基本相等；和/或●监测通过所述触摸区域(15，25，26，35)和所述触摸区域(12a-12c)的相互作用施加的所述触摸力(F)；和/或●根据之前的校准参数设定所述触摸力(F)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制单元包括校准功能，在执行该校准功能时，在提供所述触摸工具(15，25，26，35)和所述至少两个触摸区域(12a-12c)特别地以一定力同时接触的同时，通过获得所述可动参考点的实际坐标提供所述状态信息。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述校准功能适合于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·迈勒，C·艾斯利，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH