專利名稱：：確定機床或測量機中的幾何誤差的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種確定才幾床或測量才幾中的幾^可誤差的方法。本發(fā)明優(yōu)選地《旦不是排他地應用于測量才幾，為了簡潔起見，隨后的描述參照測量機進行，但僅僅是以實例的方式。
背景技術：
：從WO2005/019769中可知道一種確定才幾器中幾祠3吳差的方法，在該專利中操作機器以使測量空間中的背反射器(back-reflector)沿著相對于坐標軸定向的三維網(wǎng)格(grid)移動，并接著獲得網(wǎng)格點。反射器,皮位于一幾器底座(machinebed)上且包括干涉〗義的光學跟蹤裝置或"激光跟蹤器"跟蹤；每個所獲得的網(wǎng)格點與同激光源相關耳關的預定參考點之間的實際距離由干涉測量法測量；如所知的，這個3巨離可在不存在干涉4義的未知死鴻4圣(deadpath)的情況下^皮確定。用跟蹤器激光在測量才幾底座上的不同位置4丸行相同的梯:作次序。才艮據(jù)機器的動力學模型，處理所獲得的點的坐標以及由干涉儀測得的距離，以計算才幾器的誤差參^:。上面簡要描述的已知方法具有如下缺點需要極為精確的、因此復雜、高成本的能夠沿著激光束的方向變化進行連續(xù)的干涉測量的激光跟蹤器。此外，對于激光跟蹤器的每個位置，它引入了千涉儀的死路徑、以及激光^L蹤器位置形式的額外未知量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種確定笛卡爾機器中的幾何誤差的方法，i殳計該方法以消除通常與已知方法相關的前述*夾點。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種確定機床或測量機(該測量機包括用于在測量空間內(nèi)移動標革巴的移動單元)中的幾祠^吳差的方法，該方包括以下步驟在測量空間內(nèi)確定方向；利用移動單元將標靶沿著所述方向移動到多個點；利用測量裝置測量每個所述點距離沿著所述方向定位的原點的橫坐標；利用所述機器獲得每個點的坐標；對測量空間內(nèi)的多個方向重復前述的步驟；以及才艮據(jù)測量裝置測得的橫坐標和由所述機器獲得的點的坐標來確定所述機器的誤差參數(shù)。將參照附圖，通過實例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選且非限制性的實施例，附圖中圖1示出了根據(jù)本方法操作的測量機和千涉儀測量裝置；圖2示出了圖1的干涉儀測量裝置。具體實施例方式圖1中的標號l表示作為整體的測量機，該測量機包括平的底座2,該底座具有水平參考面3且用于支撐將^^皮測量的物體(未示出)，該水平參考面平4亍于一組三個的笛卡爾軸X、Y、Z中的兩個水平軸X、Y;以及移動單元4。單元4包括可沿著軸Y相對于底座2移動的橋"l妄件(bridge)5，并進而包括兩個豎直件6和7，以及在豎直件6和7之間延伸且平行于軸X的橫向構件8。單元4還包括托架(carriage)9,托架安裝至4黃向構件8且可沿著軸X在一黃向構〗牛8上移動；以及測量頭部10，安裝至纟乇架9并可沿著軸Z相^j"于^6架9移動。頭部10的底端方^J也安裝有已知的雙軸連接裝置11，該雙軸連接裝置用于定向地支撐使用中的探針(未示出)且方便地包括具有垂直軸A(即，平行于軸Z)和水平軸B(即，平4亍于平面XY)的雙軸"肘節(jié)"。為了才艮據(jù)本發(fā)明的方法來確定才幾器1的幾何誤差，連接裝置配備有包括背反射器12的標靶，該背反射器可以是任何已知類型的，例如貓眼或三面直角沖菱4竟。才艮據(jù)本發(fā)明的方法還4吏用干涉4義測量裝置13來實施，即，這樣一種儀器它能夠產(chǎn)生激光束14且使該激光束沿著可隨兩個轉動自由度(方位角和仰角)變化的方向而定向，并且利用干涉測量法確定沿這個方向定位的背反射器相對于預定原點的一黃坐標。裝置13(圖2)方便地包括已知的商用干涉儀15、以及具有兩個自由度的光束偏轉器19。光束偏轉器19可以通過已知的配備有鏡子17的讀數(shù)器(indexinghead)16限定，鏡子接收由干涉儀15產(chǎn)生的激光束14,并沿著由4竟子17的方位限定的方向反射該激光束。根據(jù)本發(fā)明的方法，裝置13纟皮連續(xù)地i殳定在才幾器1的測量空間內(nèi)的不同位置處；并且在裝置13的每個4立置中，沿著不同方向連續(xù);也產(chǎn)生;敫光束14，下文中每個方向由可變下標j表示。適當?shù)剡x擇裝置13在測量空間內(nèi)的連續(xù)位置的凄t目、以及從每個位置產(chǎn)生的激光束的數(shù)目和方向，以覆蓋整個測量空間，這在隨后將更詳細地解釋。機器1裝備有第一控制單元18，該第一控制單元用于控制沿著各個坐標軸驅(qū)動機器的移動部件5、9、IO的電動機(未示出)，并且該第一控制單元在使用中還獲取并存儲由探針獲得的坐標。裝置13由用于沿著預定方向定向激光束14的第二控制單元20控制，并且，如果該第二控制單元是針對第一控制單元設計的，則它可以結合在第一控制單元18中，或者為了同步的目的，該第二控制單元可以與第一4空制單元18相耳關。裝置13方便地包括光接收器21，該光接收器用于跟據(jù)從背反射器返回的激光束的強度來產(chǎn)生信號。光接收器21方便地通過第二控制單元20連接至第一控制單元18,以^使得第一控制單元能夠根據(jù)所述信號通過反饋控制來使背反射器12沿著光束方向移動。下面描述實施才艮據(jù)本發(fā)明的方法的一種實施方式。在將裝置13設置到測量空間內(nèi)的第一位置處后，沿著由單位矢量n]定義的第一方向(j=l)產(chǎn)生第一激光束14。隨后操作機器1,以將背反射器12沿著光束的方向設置到連續(xù)的點Pn處。針對每個點，都獲得矢量Pu(u),該矢量的組成部分是由機器1獲得的點坐標且包含因誤差參數(shù)u(未知)造成的誤差、以及每個點相對于原點的橫坐標ln(該橫坐標采用干涉測量方法測量并且可々I定它是精確的)。原點可以沿著光束方向4壬意選取，并且事實上，原點通過將裝置13中的干涉4義的計數(shù)器調(diào)零來設定。橫坐標由裝置13測得的每個點沿著由單位矢量n！限定的線對齊，并且每個點可以在與裝置結合為一體的參照系統(tǒng)中通過精確的矢量liHiin!表達。為了在機器1的機器-軸參照系統(tǒng)中比較由機器測得的矢量lu與對應的Pn,兩者必需都在相同的參照系統(tǒng)中表達，這通過由未知旋轉矩陣R,和平移矢量t,限定的旋轉-平移來實現(xiàn)。隨后將裝置設置到多個連續(xù)位置j處，對于每個位置j，重復針對位置j二l而描述的相同的步驟。隨后，可以計算誤差參ltu,這通過針對每個點，相對于誤差參數(shù)將誤差函數(shù)(由機器1的參照系統(tǒng)中的矢量Pij(U)(受誤差的影響)與旋轉變換矢量lij之間的差的總和來定義)最小化成旋轉矩陣Rj,并最小化成平移矢量tj來實現(xiàn)/(1)其中Pij(U)表示根據(jù)誤差參數(shù)u的第j條激光束上第i個點的機器坐標；lij表示點的坐標，這些點的橫坐標相對于共用原點由裝置在與它結合為一體的參照系統(tǒng)中獲得；Rj和tj分別表示旋轉矩陣和平移矢量，通過它們將矢量lij轉換到才凡器參照系統(tǒng)(N.B.對于激光束的每個方向j均具有一個矩陣r和一個矢量t)。假設關于Rj初始近似值的小角度可直接從由機器1獲得的坐標中得到，問題是可分離變量的其中之一，并且旋轉-平移(Rj，tj)可分別預先估計。這些解法使得光束14的每條線j均與對應的點Pij的最小二乘行一致，并^f吏得多個點lij的重心與多個點Py的對應重心一致。因此(1)3皮簡^f匕成其中nj表示根據(jù)點Pjj計算的最小二乘行j的單位矢量；^表示通過機器獲得的點沿第j條激光束的重心，即，它們的均值；i;表示通過裝置13獲得的沿著第j條激光束的橫坐標的均值。(2)將機器讀數(shù)在各個方向j上的投影與由裝置獲得的對應橫坐標之間的差的總和最小化。隨后，利用動力學模型將點Py表達為機器誤差參數(shù)u的函數(shù)P,(u)-，,+(P"P一)(3)其中^表示點Py在沒有幾何機器誤差情況下的位置；eij是幾何機器誤差，它不僅作為誤差參數(shù)u的函數(shù)，并且還作為測量空間中的位置Pjj以及纟笨針或工具的偏移pij的函數(shù)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)中表達的動力學模型必須適合所考慮的具體機器的動力學。一些可用于多種等級的機器的動力學模型可以在文獻中獲知。通過非限制性實例，剛體動力學才莫型(Hocken,R.，Simpson,J.,Borchardt，B.,Lazar，J.，Stein，P.,1977,"Threedimensionalmetrology",AnnalsoftheCIRP26/2/1977:403-408;后來在Balsamo，A.，1995"EffectsofarbitrarycoefficientsofCMMerrormapsonprobequalification",A腿lsoftheCIRP44/1/1995:475-478中修改的公式)將機器誤差表示為其中tx、ty、tz是表示平移誤差的矢量(每個軸三個分量):(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>、rv、rz是表示旋轉誤差的矢量(每個軸三個分量):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>hx、hy、hz是阿貝臂，垂直于它們發(fā)生轉動+Phv="、、~(7)、是矢量積符號,這個模型具有18個誤差函數(shù)，矢量tx、ty、tz和rx、ry、rz的每個分量各一個誤差函數(shù)，它們可以以列表或解析的形式(通過線性或多項式插值、傅立葉或指數(shù)展開等)表達。在列表表達的情況下，未知的誤差參數(shù)u通過在適當?shù)牟蓸娱g隔處獲得的函凄史值限定；在多項式表達的情況下，誤差參數(shù)u通過多項式的各次數(shù)的系數(shù)來限定；以及在傅立葉或指數(shù)級數(shù)表達的情況下，誤差參凄tu通過級數(shù)的系數(shù)表達。通過將(5)、(6)、(7)代入到(4)中，再將(4)代入(3)中，并且，最后將(3)代入(2)中，可進4亍最小化并且確定未知參數(shù)u。如本領域的技術人員所公知的，例如，/人上述公開的第二個中所知，最小化要求施加約束以消除自由度的任意性，這種任意性與理想?yún)⒄障到y(tǒng)的才幾器空間中的任意位置相關，相對于該理想?yún)⒄障到y(tǒng)估算幾何誤差。否則，這些自由度就會阻止算法的執(zhí)行并且在計算中導致奇點。更具體地，剛體模型具有21個需要被如下多個等式約束的自由度cu=o,(8)其中C是具有21-f亍的約束矩陣，且具有與誤差參凄tu相同的列數(shù)。通過實例，并且參照列表誤差函數(shù)表達式，上述4壬意參數(shù)可以如下設定。對每個i吳差函凄t要求(impose)—個0重心S~=0，(9)其中h表示誤差函lt(h=l，...，18),而k表示具體的表值。對于正確的系統(tǒng)軸(相對于機器軸)的定位，它給出了18個約束，而留下了三個。更具體:l也，對于正確的系統(tǒng)和才幾器系統(tǒng)各自的X軸和XY平面的平均平行度的要求而給出了三個等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，h表示三個直線度函凄ttxy、txz或tyz;《表示^j"應函婆th(即，分別為x、x或y)的當前坐標；&表示采樣點沿著軸線的橫坐標；&表示采樣點沿著軸線的橫坐標的均值。一旦要求了上述約束，(2)就可以求解，并確定動力學模型的誤差參數(shù)u。為了更精確地確定誤差參數(shù)，應該重復上述步-驟多次，重復次^:應該大于裝置13的位置的理_論最小#:。此外，對于裝置13的每個位置，沿著光束的每個方向的獲取值的凄史量越大，并且方向的lt量越大，則確定誤差參凄t的精度就越高。最后，為了確定所有的誤差函數(shù)，背反射器必須以不同的偏移量安裝。對于沿光束14方向的完整系列的獲取值，偏移量方《更地維持恒定，以避免由背反射器的空間各向異性和連接裝置方位角的確定而引起的測量不確定性。針對沿不同方向的獲取值，或者針對沿相同方向的重復的獲耳又值，可以采用不同的偏移量。^U又通過實例，4十》于測量空間中的25個不同的光束方向和三個不同的裝置位置，可以合理地完成IOO個獲取值。非常簡潔地，實施根據(jù)本發(fā)明的方法的實際步驟可以如下。將裝置13i殳置到測量空間中的第一位置處。隨后，沿著不同方向連續(xù)地產(chǎn)生激光束以覆蓋盡可能寬的立體角；對于每個光束方向，操作機器1以沿著光束14移動背反射器12;以及通過裝置13和才幾器1同步地獲取沿光束方向的點。因此，第一控制單元18將機器坐標Xj、yi、Zi以及值li存儲在特定的表格中，該表格例如可以是如下所示的類型<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>裝置13讀數(shù)的均值T、以及機器坐標的均值^、y、5根據(jù)所存儲的值來計算。并且，在裝置13的所有位置中，針對所有的激光束方向重復上述操作。一旦獲得了數(shù)據(jù)，就使用上述數(shù)學方法計算機器的誤差參數(shù)，并且將該誤差參數(shù)存儲在第一控制單元18中，用于利用等式(4)進行隨后的測量補償。從前面的描述中，根據(jù)本發(fā)明的確定測量機幾何誤差的方法的優(yōu)點將是很清楚的。通過每次沿一個方向的測量，即，在測量過程中激光束不轉動，可使用直線前進型的裝置，該裝置不需要背反射器跟蹤能力或特別高的角度瞄準精度。事實上，該機器的精確定位能力就是實際上跟蹤光束方向的能力，而在由干涉儀進行的測量暫停時發(fā)生角度位置的變化，因此，這種變化對測量沒有影響。此外，所測量的點都沿一個方向?qū)R，簡化了對未知的S走轉-平移的確定(該^走轉-平移對于將裝置測量值轉換至機器參照系統(tǒng)是必需的)，并且合計起來以通常的方式筒便地計算測得點的最小二乘行。此外，將系統(tǒng)的原點定位在測得點的重心處在一開始就消除了確定干涉j義的位置和死^各徑的需要。很顯然，可以對在此描述的本發(fā)明的實施例進行改變，然而，這種改變不能背離所附權利要求中限定的范圍。具體地，除了橋4妾件類型的之外，才艮據(jù)本發(fā)明的方法可以應用于任何類型的測量機，例如，水平臂機器、柱型機器、甚至關節(jié)連4妻的機器人4幾器等，并且還適用于校正才幾床的幾何誤差。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例采用干涉4義測量裝置，^旦也可以4吏用其他沖支術來獲得沿不同方向的4黃坐標，例如，利用覆蓋主軸(坐標平面的3個軸向?qū)蔷€和4個體對角線)的自動致動系統(tǒng)定向的且能夠沿著一個方向平移以覆蓋整個測量線的光步^見?？梢岳貌煌墓ぞ咂屏縼頊y量標準尺寸，以便確定其他不可獲得的誤差函數(shù)。也可以采用諸如傳統(tǒng)的金屬線和巻軸系統(tǒng)的一^換方法。最后，可以利用包括光纖連接至讀數(shù)器的激光源的系統(tǒng)來獲得沿不同測量軸的4黃坐才示。權利要求1.一種確定機床(1)或測量機中的幾何誤差的方法，所述測量機包括用于在測量空間內(nèi)移動標靶的移動單元(4)，所述方法包括以下步驟在測量空間內(nèi)確定方向；利用所述移動單元(4)將所述標靶沿著所述方向移動到多個點；利用測量裝置(13)測量每個所述點距離沿著所述方向定位的原點的橫坐標；利用所述機器(1)獲得每個所述點的坐標；對所述測量空間內(nèi)的多個方向重復前述的步驟；以及根據(jù)由所述測量裝置(13)測得的橫坐標以及由所述機器(1)獲得的所述點的坐標來確定所述機器的誤差參數(shù)。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述原點是由所述測量裝置(13)沿所述方向測得的點的重心。3.才艮據(jù)權利要求1所述的方法，其特4正在于，對于每個所述方向，所述確定誤差參數(shù)的步驟包括以下步驟根據(jù)由所述機器(1)獲得的坐標來確定靠近連續(xù)點的線；以及要求所述線沿著所述方向定4立。4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述確定誤差參數(shù)的步驟包括要求根據(jù)由所述機器(1)獲得的坐標而計算的所述點的重心與根據(jù)由所述測量裝置(13)測得的橫坐標而計算的所述點的重心一致的步-驟。5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述確定誤差參數(shù)的步驟包括將由所述機器(1)獲得的每個點在所述方向上的投影與由所述測量裝置(13)獲得的橫坐標之間的差值的總和最小化的步驟。6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述測量空間內(nèi)確定方向的步驟包括沿所述方向產(chǎn)生激光束(14)的步驟。7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述測量每個所述點距離沿著所述方向定位的原點的4黃坐標的步驟利用構成所述測量裝置(13)的一部分的激光干涉儀(15)進行。8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述標耙是背反射器(12)。9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用由致動裝置(16)控制的反射器(17),通過偏轉由所述干涉儀(15)產(chǎn)生的激光束，而沿著不同方向產(chǎn)生連續(xù)激光束(14)的步-驟。10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括至少兩個沿著兩個不同方向獲取各點的步-驟；只t于所述兩個步艱《，所述標耙以不同的偏移量安裝在所述移動單元(4)上。全文摘要本發(fā)明提供了一種確定機床或測量機中的幾何誤差的方法，該測量機具有用于在測量空間內(nèi)移動標靶的移動單元，該方法包括以下步驟在測量空間內(nèi)確定第一方向；利用移動單元將標靶沿著該方向移動到多個點；利用測量裝置測量每個點距離沿著第一方向定位的原點的橫坐標；利用機器獲得每個點的坐標；對測量空間內(nèi)的多個方向重復前述的步驟；以及根據(jù)由測量裝置測得的橫坐標和由機器獲得的點的坐標來確定所述機器的誤差參數(shù)。文檔編號G01B21/02GK101349556SQ20081009697公開日2009年1月21日申請日期2008年5月12日優(yōu)先權日2007年5月10日發(fā)明者亞歷山德羅·巴爾薩莫,米凱萊·韋爾迪申請人:?？怂箍禍y量技術有限公司;國家測量技術研究院(I.N.Ri.M.)