技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及一种用于对测量装置的指定点的位置进行建模的方法以及适合于执行这种方法的测量装置。
背景技术
[0002] 在本发明的情况下，参考测量装置，该测量装置提供至少一个机器部件相对于一个或更多个其他机器零部件(例如，装置的
基座)的
定位能
力。这种测量装置例如是用于操纵和/或用于测量
工件的
机器人装置或用于检查工件的坐标测量设备。
[0003] 通常的实践是在生产之后在诸如坐标测量机器(CMM)之类的坐标定位设备上检查工件，以便对预定对象参数(例如对象的尺寸和形状)的正确性进行检查。
[0004] 在常规的3D坐标测量机器中，探针头被
支撑成沿着三个相互垂直的轴(在方向X、Y和Z上)运动。由此，可以将探针头引导到坐标测量机器的测量容积的空间内的任意一点，并且可利用探针头承载的测量
传感器(探针)测量对象。
[0005] 在机器的一个简单形式中，与每个轴平行地安装的合适换能器能够确定探针头相对于机器的基座的位置，并因此确定被传感器接近的对象上的测量点的坐标。为了提供探针头的可运动性，典型的坐标测量机器可以包括在上面布置探针头的
框架结构以及用于使框架结构的框架部件相对于彼此运动的驱动装置。
[0006] 为了测量表面变化，既已知基于使用触觉传感器的测量原理，又已知基于使用
光学传感器的测量原理。
[0007] 一般来说，为了给坐标测量机器提供改进的测量
精度，因此通常将其框架结构设计成具有高静态
刚度。为了实现刚性且刚硬的机器设计，框架结构或至少其零部件经常由石头(诸如
花岗岩)制成。除了诸如热
稳定性和良好的阻尼特性之类的所有积极作用之外，花岗岩还使得机器和可动框架元素非常沉重。另一侧的大重量对适当的
加速度来说也需要大的力。
[0008] 如果采用这种技术，仍存在若干个可能的误差源。当相对于另一个部件移动一个框架部件时机器零部件的共振或振动恰好是动态误差的两个示例。另外，可能发生静态误差，诸如缺少运动直线度、缺少轴的
正交性或线性驱动机构的侧向偏移。
[0009] 根据许多解决方案，上述误差仅被静态地分析，尽管它们还包括取决于轴的运动(具体取决于将轴移动时的位置、速度、加速度和加加速度)的动态因素。在根据速度进行校准的情况下，该事实被以一种相当简单且不灵活的方式考虑。虽然静态误差能够通过使用位置校准矩阵而在数字上减少，但是当试图补偿动态误差时事情变得更加复杂。
[0010] 当考虑到动态误差(诸如上述振动或共振或动态力)时，校准变得甚至更复杂。这些误差不仅会影响发生这些误差的轴，而且还会“串扰”其他轴，并在系统的其他零部件中产生误差。此外，根本影响可能还取决于环境条件，例如
温度、湿度、气压等，并且这些影响特别地还会在机器的整个寿命期间发生变化。
[0011] 在这种情况下，例如，必须考虑到机器的一个轴的加速度(其可能会移动另外的垂直轴和探针头)可能导致坐标测量机器的整个框架发生线性动态挠曲和
角度动态挠曲，这又导致测量不确定性和误差。这些动态测量误差可以通过以低加速度进行测量例如通过期望运动的因此优化的轨迹来减少。
[0012] 已知的解决方案尝试通过被称为输入整形的技术来抑制由机器的加速度引起的挠曲、振动和/或振荡，该技术控制调节变量(例如推进
马达的力或
电流)，从而回避机械共振，并避免由于向驱动启动器控制的输出上的被相应操纵的变量引起的共振
频率或甚至作用的反力振荡的刺激。
[0013] 还可以作为一种控制形式向CMM应用模型预测控制，在该控制形式中，使用设备的当前状态作为初始状态，通过在每个
采样时刻解决有限界(finite horizon)开环最优控制问题而获得当前控
制动作。该最优化产生最优控制序列，然后将该序列中的第一控制施加至该设备。
[0014] 作为误差处理的示例，EP 1 559 990公开了一种校准在坐标测量机器中测量的坐标的坐标测量系统和方法，从而在具有各种重量的零部件被安装在坐标测量机器上的同时测量几何误差。补偿参数从按照零部件重量测量的结果推导出并被存储。与待测量的零部件的重量对应的补偿参数被适当地读出以校正待测量的零部件的测量坐标。
[0015] 作为另一示例，EP 1 687 589公开了一种坐标测量机器中的误差补偿方法，该坐标测量机器具有铰接探针头，该探针头具有表面检测装置。该表面检测装置在测量过程中围绕铰接探针头的至少一个轴线旋转。该方法包括如下步骤：确定设备的整体或部分的刚度；确定一个或多个因素，所述因素与在任意特定时刻由铰接探针头施加的负载有关；以及确定由该负载在表面感测装置处引起的测量误差。
[0016] 在GB 2 425 840中公开了利用坐标测量机器(CMM)对工件测量进行误差校正的另一个解决方案。由此，利用其中设置有测量加速度的装置的工件感测探针获得位置测量结果。既针对诸如由于振动引起的高频(不可重复)误差又针对诸如由于探针上的
离心力引起的低频(可重复)误差对该测量结果进行校正。校正方法包括：测量工件；根据预定误差函数、误差图或误差查找表确定可重复测量误差；测量加速度并计算不可重复测量误差；将第一和第二测量误差组合以确定总误差；以及使用该总误差校正工件测量结果。所述预定误差图使用已知尺寸的矫正物来计算。
[0017] 还已知使用装配在测量机器的探针或其他活动零部件上(例如Z向柱和/或基座台中)的
加速度计，从而允许对外部施加的振动进行差分测量和/或评估。在这种布置中，可以利用双积分来测量探针位置的位移和误差，并且基于该信息可以利用双积分
信号和标尺之间的差来对读数进行调节。例如，WO 02/04883公开了这样一种解决方案。
[0018] 为了处理上述误差，特别是动态误差，通常限定CMM的适当模型，其中基于该模型可以对CMM的特别是框架结构的定位行为进行描述。举例来说，可以定义查找表，以便查找与CMM的框架部件的实际定位相关的校正值。这种CMM的建模随着CMM零部件的重量(和刚度)减小而变得更重要。
[0019] 另选地或除了查找表之外，已知使用具有建模的静态弹性的准静态模型，其中例如Z向柱被实现为由静态产生的网格代表的一个单个梁。这里，支承力在导致建模系统激励发生突然变化并因而导致不准确性的若干有限元的边界上运动。这种不准确性可以通过对模型施加在若干离散元素上的加权力分布来克服。这导致使用大量有限元，因而不利地导致对计算能力的高需求并且导致非常耗时的计算过程。在例如在“Finite Element Procedures”(K.J.Bathe,Prentice Hall,第二版,1995年6月26日)或“Nichtlineare Finte-Elemente-Methoden”(Peter Wriggers,第一版,2008年6月13日)中详细描述了用于这种实体结构的建模的一般解决方案。
发明内容
[0020] 因此，本发明的目的是提供一种用于提供一结构相对另外结构的定位信息特别是该结构的指定点的定位行为的改进且简化的方法。
[0021] 本发明的另外的目的是以高精度和低计算劳动对CMM零部件相对于彼此的具体定位进行建模。
[0022] 本发明的另外的目的是提供一种模型，该模型提供测量装置特别是CMM的点的动态和弹性特性，其中该模型的计算耗时较少并且精度高。
[0023] 本发明的又一个目的是提供一种改进的坐标测量机器(CMM)，该坐标测量机器用来进行测量任务并通过处理与CMM结构的测量位置相关的模型参数来确定测量点的坐标。
[0024] 本发明的总体构思是提供一种用于测量装置的建模方案，从而提供所述装置的状态的快速精确计算。本发明的方案的
基础在于，对于元素的延展方向，使用至少一个有限元作为其伸长中的变量。元素的延伸方向典型地代表以该元素建模的对应结构部件的延伸方向。通过(基本仅仅)改变元素的伸长，可以提高用于重新计算该状态的建模和计算实践。此外，这种方案使得能够使用相当少的数量的伸长元素来描述机器部件和该部件的当前位置。
[0025] 本发明涉及一种用于提供测量装置的指定点的静态和动态位置信息的方法，该测量装置包括表面以及结构，该结构包括所述指定点并且被布置成相对于所述表面是可运动的。另外，以该方法为目的，进行限定用于代表所述结构的指定点相对于所述表面的实际位置的模型并通过基于所限定的模型的计算导出所述指定点的实际位置。
[0026] 根据本发明，所述模型包括用于对所述结构进行建模的至少两个元胞，其中用于对所述结构进行建模的所述至少两个元胞被线性地布置在线性延伸方向上(具体地，其中所述线性延伸方向由用于对所述结构进行建模的元胞中的至少一个元胞的伸长来限定)，用于对所述结构进行建模的所述元胞中的至少一个元胞是一组至少一个可变元胞的可变元胞，并且所述至少一个可变元胞具有关于所述延伸方向的可变伸长。为了对所述指定点的特别在线性延伸方向上的位置变化进行建模，设定所述至少一个可变元胞的实际伸长。
[0027] 这样限定用于导出指定点的位置的模型使得例如通过仅仅改变至少一个可变元胞的伸长就能够简单地对该点的位置变化进行建模。具体地说，所述线性延伸方向由至少一个可变元胞的伸长限定。基于仅该伸长的变化，能够以较低努力计算指定点的新位置，这是因为模型中的本质变化是由该伸长变化引起的，其他模型参数基本可以保持不变。
[0028] 用于对所述结构进行建模的元胞代表由例如伸长、
质量和/或刚度之类的参数限定的建模元素，用来描述测量装置的至少一部分的状态。基于该元胞及其特性来提供该状态的计算或估计。因而，具体而言，该元胞不应被理解为装置的结构部件，而是必须被看作用来描述和计算装置的状态的执行(虚拟)元素。
[0029] 当改变模型中的元胞的伸长时，相应元胞的质量对应地发生变化，即如果元胞的伸长增加，则用于该元胞的限定质量也增加。
[0030] 在本发明的情况下，应该理解，由用于对所述结构进行建模的元胞或至少两个元胞的布置限定的线性延伸方向还包括基本线性的延伸，例如包括略微弯曲，这种略微弯曲可能是由用测量装置的探针
接触对象而施加的力引起的。因而，关于1－2米的中
心轴线，就结构的延伸来说相对于中心轴线移位约1-5mm的结构应该被理解为线性延伸结构。
[0031] 根据本发明的具体实施方式，所述模型包括关于所述线性延伸方向线性布置的至少两个可变元胞，其中通过设定所述至少两个可变元胞的实际伸长来对所述指定点的位置变化进行建模。
[0032] 本发明的另外的实施方式涉及所述模型的具体设计。该模型附加地包括用于对所述结构进行建模的一组至少一个静态元胞，其中用于对所述结构进行建模的所述元胞中的至少一个元胞是所述一组至少一个静态元胞中的静态元胞，所述至少一个静态元胞和所述至少一个可变元胞被线性地布置在所述线性延伸方向上，并且所述至少一个静态元胞具有关于所述延伸方向的恒定伸长。
[0033] 本发明的该实施方式的基本思想是通过相当少的数量的执行元胞来代表装置的结构的至少一部分，其中第一组元胞包括恒定伸长的静态元胞，第二组执行元胞包括具有可变伸长的元胞。通过改变至少一个可变元胞关于所述延伸方向的伸长来对结构元素相对彼此的位置变化进行建模，所述延伸方向由所述元胞的线性布置来限定。通过这种对装置结构进行建模，使得通过模型参数的改变，特别是通过仅仅可变元胞参数的改变并通过执行预定数学
算法重新计算结构元素的相对定位，能够计算结构的位置变化。对于这种计算，所述静态元胞基本总是以相同的方式来处理，其中计算中的变动主要通过改变可变元胞的参数来产生。
[0034] 通过将静态元胞的伸长保持恒定，即保持静态元胞的模型参数(例如伸长和/或刚度)不变，能够以相对较低的努力和较少的计算时间进行代表结构的新定位的重新计算(因为结构的变化仅仅来自于可变元胞的变动)。
[0035] 根据本发明的另一个具体实施方式，用于对所述结构进行建模的所述元胞中的至少一个元胞被实现为用于对所述结构的指定点与所述表面之间的相互作用进行建模的互连元胞，其中该互连元胞被分配至所述表面并且当对所述指定点的位置变化进行建模时保持被分配至所述表面。更具体地说，所述互连元胞可以被实现为具有相对于所述表面的恒定位置并且/或者通过改变至少两个可变元胞的伸长可对所述位置变化进行建模。
[0036] 此外，仍关于用于提供所述指定点的位置信息的结构的建模，根据本发明的另一个实施方式，实现了第一元胞、中心元胞和最后元胞，其中所述中心元胞属于所述一组至少一个可变元胞或所述一组至少一个静态元胞并被实现为用于对所述表面和所述结构之间的相互作用进行建模，并且所述第一元胞和所述最后元胞属于所述一组至少一个可变元胞，并且通过改变所述第一元胞和所述最后元胞的伸长对所述指定点的位置变化进行建模。
[0037] 这种模型的构建能够提供通过固定元素(可变或静态元胞)描述所述结构和所述表面之间的相互作用，因而简化了考虑例如相互作用力的模型。另外，这种相互作用可以与中心元胞(其可以以固定位置和固定或可变伸长来限定)相关，并且通过改变另外两个可变元胞的伸长来对结构或指定点的位置变化进行建模。
[0038] 参照所述指定点的位置信息的提供，根据本发明的具体实施方式，通过利用所述模型的更新的伸长参数重新计算所述指定点的位置来提供所述指定点的更新的实际位置，其中所述伸长参数代表所述至少一个可变元胞的实际伸长，并且通过改变(设定)所述伸长来更新。具体地说，所述更新的实际位置以预定的时间间隔提供，具体地通过连续地重新计算所述指定点的位置而被连续提供。
[0039] 通过以连续方式进行计算过程，可对所述指定点的位置进行追踪，并且也可连续地导出所述位置。
[0040] 此外，根据本发明，通过基于所述模型的计算导出用于所述测量装置的至少一部分的实际位置信息，具体是导出能由连接至所述结构的探针测量的测量点的空间坐标。因此，所述模型使得能够精确地确定待测量对象的表面上的点的位置。
[0041] 另选地或附加地，元胞参数通过根据本发明的模型而被限定成至少限定用于再现所述结构的真实特性的静态和/或可变元胞的如下特性中的一个特性：
[0042] ●长度；
[0043] ●刚度；
[0044] ●质量；
[0045] ●惯性；和/或
[0046] ●热特征。
[0047] 通过这些元胞参数，可以根据建模结构的特性来
修改每个单个元胞的特性。例如，每个元胞，特别是可变元胞，或多组元胞，都可以利用关于它们的质量或刚度特征的不同特性来进行限定。
[0048] 此外，根据本发明，(例如利用预定时间步骤)导出表示所述结构和/或所述指定点的动态行为的状态参数，具体地其中所述状态参数取决于所述指定点相对于所述表面的位置和/或所述指定点和/或所述表面的位置变化。
[0049] 根据本发明的另一个实施方式，所述状态参数限定用于所述结构和/或所述指定点的如下值和/或相应值的变化中的一个：
[0050] ●实际速度；
[0051] ●实际加速度，具体为旋转加速度；
[0052] ●当前发生的力，具体为通过利用探针接触对象而发生的接触力；
[0055] 因此，所述模型还使得能够描述结构(相应地，所述指定点)的动态运动和/或振动，并且可以在任何具体时刻给出关于发生的力和/或发生的扭矩和/或机械应力的信息。此外，可基于该模型导出例如由于施加的力引起的关于
变形的信息。
[0056] 根据本发明的另一个具体实施方式，导出代表所述结构的至少一部分具体为所述指定点的位移和/或挠曲的误差值，其中所述位移和/或挠曲是由所述结构和/或所述表面的至少一部分的振动、弯曲和/或扭转而产生的，具体地其中所述误差值是根据所述元胞参数和所述状态参数导出的，具体地其中所述误差值被处理以确定测量点的补偿空间坐标。因而，根据本发明的方法使得能够提供关于在任何具体时刻发生的误差的信息并对所确定的误差提供补偿。
[0057] 关于对所述结构进行建模的多于一个的方面，根据本发明，限定连接单元来对两个相邻元胞的连接进行建模，其中所述连接单元提供阻尼和/或弹性特性；并且/或者所述表面由
轴承或托架，具体由
空气轴承实现。
[0058] 关于所述测量装置的结构实施方式，根据本发明的具体实施方式，所述测量装置被形成为具体地根据如以下根据本发明的测量装置的实施方式一样地描述的实施方式的坐标测量机器，具体为全站仪、经纬仪或视距仪的测地装置，激光
跟踪器或激光旋转器。
[0059] 本发明还涉及一种测量装置，该测量装置包括：相对于彼此可运动的结构和表面；被分配至所述结构和所述表面以提供可运动性的驱动装置；和适合于执行建模功能的控制处理单元，在执行该建模功能时，限定用于代表所述结构的指定点相对于所述表面的实际位置的模型，并且通过基于所限定的模型的计算导出所述结构的指定点。
[0060] 所述模型包括用于对所述结构进行建模的至少两个元胞，其中用于对所述结构进行建模的所述至少两个元胞被线性地布置在线性延伸方向上，用于对所述结构进行建模的所述元胞中的至少一个元胞是一组至少一个可变元胞中的可变元胞，并且所述至少一个可变元胞具有关于所述延伸方向的可变伸长。在执行所述建模功能时，设定所述至少一个可变元胞的实际伸长，以便对所述指定点的特别在线性延伸方向上的位置变化进行建模，并且使用所述至少一个可变元胞的实际伸长基于所述模型来计算所述指定点的实际位置。
[0061] 根据本发明，所述测量装置可以被形成为坐标测量机器，具体为全站仪、经纬仪或视距仪的测地装置，激光跟踪器或激光旋转器。
[0062] 具体地，所述坐标测量机器包括：由所述坐标测量机器的许多结构部件中的第一结构部件代表的所述结构；由所述许多结构部件中的第二结构部件代表的，具体地由托架或由用于接纳待由所述坐标测量机器测量的对象的基座所代表的所述表面；以及探针头，该探针头能通过由所述许多结构部件提供的机器结构在至少一个方向上具体在彼此垂直的三个方向上运动。
[0063] 具体地，所述测地装置或激光跟踪器包括：由限定第一旋
转轴线的装置基座的至少一部分或由限定第二
旋转轴线的支撑单元的至少一部分代表的所述表面，所述支撑单元承载用于将
激光束导向具体为望远镜的目标的瞄准单元，所述支撑单元被布置成能围绕所述第一旋转轴线旋转，所述瞄准单元被布置成能围绕所述第二旋转轴线旋转；以及由所述瞄准单元的至少一部分或所述支撑单元的至少一部分代表的所述结构。
[0064] 所述激光旋转器具体地包括：由用于校准偏转单元的旋转轴线的导向单元的至少一部分代表的所述表面；以及由所述偏转单元的至少一部分代表的所述结构。
[0065] 此外，在本发明的具体实施方式的情况下，所述控制处理单元适合于执行根据本发明的用于提供测量装置的指定点的静态和动态位置信息的方法，具体为根据以上所述方法中的任一种方法。
[0066] 此外，本发明涉及一种
计算机程序产品，该计算机程序产品具有计算机可执行指令，具体地，当该计算机可执行指令在根据本发明的测量装置的控制处理单元上运行时，执行根据本发明的用于提供测量装置的指定点的静态和动态位置信息的方法。
附图说明
[0067] 下面参照附图中示意性示出的工作示例仅仅以示例的方式更详细地描述或说明根据本发明的方法和装置。具体地说：
[0068] 图1a至1b示出了相对于彼此可移动的结构和表面；
[0069] 图2示出了根据本发明的坐标测量机器的第一示例性实施方式；
[0070] 图3示出了根据本发明的坐标测量机器的第二示例性实施方式；
[0071] 图4a至4f示出了结构和表面的相对定位及其根据本发明的建模的示例性实施方式；
[0072] 图5a至5c示出了根据本发明的建模结构的另外的实施方式；以及
[0073] 图6示出了可从根据本发明的模型计算的若干状态值。
具体实施方式
[0074] 图1a和图1b均示出了结构31和表面32，其中这两个元素31、32(结构31和表面32)被布置成使得它们可至少彼此平行地运动。这种可运动性可以通过线性驱动机构(未示出)来提供，其中驱动机构的线性引导件布置在表面32处或结构31处。
[0075] 图1a示出了结构31和表面32的布置，其中结构31可相对于表面32运动，并且表面32形成了关于结构31的运动的位置固定参考元素。这种布置例如利用CMM的Z向油缸(ram)(Z向柱、套筒)来实现。这里，Z向油缸代表结构31，并且相对于桥状件(
门架式CMM)或相对于在该桥状件上驱动的托架而运动，以测量待测量对象上的测量点。
[0076] 图1b示出了结构31和表面32的另选布置，其中结构31被固定地定位，而表面32被布置成提供相对于结构31的可运动性。这种布置例如利用Y向托架实现，或通常用来例如在Y方向上提供一个框架部件相对于第二框架部件的可运动性。表面32不需要是一个物理平面，但是可以由若干个限定表面31的引导方向或运动方向的(引导件)轴承代表。
[0077] 举例来说，在图2和3的情况中示出了结构31相对于表面32的定位和可运动性，其中示出了CMM，该CMM的机器部件被布置成相对于彼此可运动。
[0078] 根据本发明，结构31的建模通过线性布置至少一个伸长元胞来实现，该伸长元胞可关于延伸方向针对其伸长而变化，根据本发明的一个具体实施方式，结构31的建模还通过附加静态元胞来实现，以便代表结构31相对于表面32的实际位置。另外，结构31相对于表面32的位置变化通过调节至少一个可变元胞的伸长来建模。下面参照图4a至4f更详细地阐述用于这种建模的特征和原理。
[0079] 在图2中，描述了根据本发明的门架式坐标测量机器1(CMM)的示例性实施方式，该坐标测量机器1包括基座11和用于将探针头15联接至基座11的框架结构，该框架结构包括若干个相对于彼此可运动的框架部件12、13。第一框架部件12是具有两个门架腿的门架，这两个门架腿在它们的上端处通过桥接部相连。通过由驱动机构(未示出)驱动，框架部件12能够沿着基座11的纵向侧运动。该方向对应于第一方向X。框架部件12的运动具体是通过附装至基座11的
齿条进行的，该齿条与框架部件12上的小
齿轮啮合。
[0080] 托架14可运动地布置在框架部件12的桥接部上。托架14(该托架14可以被看作另外的框架部件)的运动也可以通过齿条和
小齿轮实现。构成另外的框架部件的竖直杆13(套筒、Z向油缸)可运动地结合在托架14内。在竖直杆13的底部处设置有探针头15。
[0081] 在本发明的情况下，一般来说，所述结构运动所相对的表面(或，反之亦然)可以由托架或一个其他框架部件(例如桥接部)来表示，并且该结构可以由Z向油缸或桥接部来表示。
[0082] 探针头15可以在X、Y和Z方向上运动到在坐标测量机器1的测量容积(工作区域)中的任何期望点。测量容积由基座11和框架部件12、13限定，具体地由托架14的可运动范围来限定。三个空间方向X、Y和Z优选彼此正交，不过对本发明来说不必必须如此。应注意，驱动机构以及用于驱动框架部件并因而驱动探针头15的
控制器没有被示出。
[0083] 待测量的对象5在基座11上位于测量容积的空间内。
[0084] 探针头15被紧固在杆13的下自由端上，在探针头15上例如布置触针。触针用来以本身公知的方式接触待测量对象5。然而，本发明不限于触觉坐标测量机器，而是同样可以用于其中测量点以非接触方式被接近的坐标测量机器(例如具有光学扫描头的坐标测量机器)。更一般地说，可以将探针头15设计成用来布置接触探针(例如扫描或接触触发探针)或非接触探针(具体为光学、电容或电感探针)或铰接探针。
[0085] 可动构件和引导件之间的轴承的两种最普通类型为空气轴承或球轴承(例如线性环行加
滚道)。空气轴承的优点是运动时没有摩擦(摩擦可能引入不同种类的误差，像角误差或滞后)。空气轴承的缺点是刚度比球轴承低，因此可能特别地发生动态误差。在球轴承类型中，轴承系统中的刚度通常较高，但是摩擦和
摩擦力可能引入误差。然而，本发明可以应用于这两种类型的轴承或类似的方案。
[0086] 总之，坐标测量机器1被构件用于确定待测量对象5上的测量点的三个空间坐标，因此包括用于提供探针头15相对于基座11在第一、第二和第三方向(X、Y和Z方向)上的可运动性的三个线性驱动机构以及提供附加旋转
自由度的具体机器部件(例如铰接探针)。
[0087] 每个线性驱动机构分别具有线性引导件，一个在第一方向上、一个在第二方向上，一个在第三方向上(X、Y和Z方向)。在一个简单的实施方式中，X方向驱动机构的线性引导件由基座11的两个或三个边缘构建表面形成，Y方向驱动机构的线性引导件由桥状件的两个或三个表面形成，而Z方向驱动机构的线性引导件由Y向托架构件中的立方孔形成。
[0088] 此外，每个线性驱动机构包括被轴承支撑成沿着所述引导件运动的可动构件。具体地说，X方向驱动机构的可动构件被实现为具有相对于基座11的上述两个或三个引导表面的相互面对的表面的X向托架。Y方向驱动机构的可动构件被实现为具有相对于桥接件的上述两个或三个引导表面的相互面对的表面的Y向托架14。而Z方向驱动机构的可动构件由具有相对于Y向托架中的立方孔的内表面的相互面对的表面的Z向柱13(套筒)形成。
[0089] 而且，每个线性驱动机构包括用于分别确定每个可动构件分别在第一、第二或第三方向(X、Y和Z方向)上的第一、第二或第三驱动位置的线性测量仪器。
[0090] 在图1的该示例性实施方式中，门架腿均具有允许第一框架部件12在X方向上运动的可动X向托架。
[0091] 在基座11的长侧上示意性地表示了作为X向测量仪器的测量标尺10X，其中标尺10X平行于X方向延伸。该标尺可以是玻璃测量标尺，例如具有增量或绝对编码，通过该编码可以确定X向托架在X方向上的驱动位置。应该理解的是，该测量仪器可以进一步包含用于读取测量标尺10X的适当传感器，不过为了简单，这里没有示出这些传感器。然而，应该指出的是，本发明不限于使用玻璃测量标尺，因此可以与用于记录驱动机构的可动构件的驱动/行进位置的其他测量仪器一起使用。
[0092] 另一个测量标尺10Y平行于Y方向布置在第一框架部件12的桥接部上。最后，另一个测量标尺10Z也平行于Z方向布置在Z向油缸14上。通过作为线性测量仪器的一部分的测量标尺10Y、10Z，可以以本身公知的方式度量地记录第二框架构件14在Y方向上的当前驱动位置以及套筒13在Z方向上的当前驱动位置。
[0093] 在所示的实施方式中，基座11包括具有用于支撑待测量对象5的花岗岩表面板的台，将在该台上确定测量点的空间坐标。
[0094] 控制和处理单元没有示出，其被设计成用来启动坐标测量机器1的马达
驱动器，从而使得探针头15行进到测量点。控制和处理单元包括处理器和
存储器。具体地说，控制和处理单元被设计成用来根据三个驱动机构的至少第一、第二和第三驱动位置来确定对象5上的测量点的三个空间坐标。
[0095] 对于手动操作来说，可以将该控制单元连接至控制台。该控制单元也可以完全自动地接近并测量待测量对象5上的测量点。
[0096] 因为通用类型的坐标测量机器的设计以及不同的线性引导件和不同的线性测量仪器的设计对本领域技术人员来说都是公知的，所以必须理解的是，可以对不同特征进行许多修改和组合。所有这些修改都在本发明的范围内。
[0097] 因而，本发明可以广泛地与所有类型的坐标测量机器一起使用，即与被设计为并联运动机器的CMM以及具有线性或
串联运动的CMM一起使用。举例来说，该CMM可以被设计为桥式类型、L桥式类型、
水平臂类型、悬臂类型或龙门架类型的机器，或者可以被设计为铰接臂。另外，在本发明的情况下的测量装置还应该被理解为用于精确定位和/或精确组装工件或工具和/或用于施加材料例如喷洒或印刷涂料或其他材料的系统。这种系统被设计成用来提供在由相应系统的结构限定的工作容积内的位置的运动和测量并限定
坐标系，在该坐标系内，提供高精度的系统部件的定位。具体地说，这种系统提供相对于另外的工件高精度地承载和放置工件或工具。例如，提供精确定位和/或测量能力的机器人可以基于根据本发明的模型的执行来进行操作和控制。
[0098] 此外，根据本发明，控制和处理单元包括适合于对一个框架部件12－14相对于另外的框架部件12－14的位置和/或运动(其相当于结构到表面的相对位置和/或运动)进行建模(具体为对CMM的指定点的位置进行建模)的功能。对于这种建模，实现合适的模型，该模型通过若干离散元素表示框架部件12－14中的一个或一部分，其中一些元素利用关于延伸方向的伸长形状来限定(这些元素在该延伸方向上线性布置)，并且其中单个元素之间的互连元素被限定成提供例如阻尼和/或类似弹性特性。这些元素中的至少一些元素具有关于延伸方向的可变伸长。
[0099] 建模框架部件12－14相对于另外的框架部件12－14的限定位置通过调节可变元素中的至少一个可变元素的伸长来设定，因而分别对建模框架构件或指定点在一个方向上即延伸方向上的位置变化进行建模。
[0100] 根据本发明的具体建模实施方式，所述元素被分成两组元素。第一组元素包括具有恒定伸长(具体还具有恒定刚性等)的静态元素，第二组元素包括具有可变伸长的元素。
[0101] 在图4a至4f的情况下更详细地描述根据本发明的建模原理。
[0102] 以上描述的功能为对机器参数进行动态建模(具体为确定和校正或补偿误差)提供了改进的基础，其中通过用少量离散伸长元素来代表框架部件，因此相比于以数字方式描述CMM结构(例如通过有限元的稠密网格)的其他建模方案，提供框架部件的相对定位和/或运动所需的计算时间保持较低。此外，由于通过对位置变化进行建模而使得静态元素的建模参数基本保持恒定，并且因为仅需要使用有限数量的元素，因此能够使计算时间保持较短。
[0103] 图3示出了根据本发明的坐标测量机器2(CMM)的第二示例性实施方式，其中坐标测量机器2包括基座21和用于给探针头15提供相对于基座21在三个方向(X方向、Y方向和Z方向)上的可运动性的部件22、23、24。为此，部件22、23、24通过将这三个部件22、23和24和基座21链接的驱动机构(未示出)而相对彼此可运动。
[0104] 待测量对象6被放置在基座21上。为了测量该对象6，使探针头15接近对象6的表面。根据预定测量路径(探针头15处的触觉
测量传感器在该路径上被引导)确定坐标，并且根据该测量结果确定对象的表面轮廓。
[0105] 机器2另外包括存储对象数据的存储器单元。在通过测量得到用于对象6的表面数据之后，将该数据与存储在存储器单元中的对象数据进行比较，并基于对数据的比较来识别表面的可能变动。
[0106] 根据本发明，实现了一模型，该模型至少提供Z向油缸24相对于用于Z向油缸24的支撑件23的实际位置和/或可运动性。为此，通过一组可变伸长元胞，具体是通过一组附加的静态元胞来对Z向油缸24进行建模，从而通过可计算模型以数字方式表示Z向油缸24。支撑件23被实现为代表参考表面，建模Z向油缸结构24可相对于该参考表面运动。根据图4a至4f更详细地描述该建模。
[0107] 根据本发明的另外的实施方式，坐标测量机器(其执行用于提供测量机器的指定点的静态和动态位置信息的方法)可以采取具有至少一个线性轴的并联运动机床(parallel kinematics)(例如公知为Delta机器人或Scare机器人)。
[0108] 根据本发明的另外的实施方式，实现了通过若干个可变元胞特别是静态元胞描述支撑件23的模型，其中将结构部件22实现为代表支撑件23运动所相对的参考表面。
[0109] 此外，参照另外的实施方式，根据本发明的建模方案可应用于CMM 2的任何结构部件或部件组合。例如，花岗岩台(基座21)被限定为构建所述表面，并且利用可变和静态元胞对线性引导件(＝结构)进行建模。
[0110] 图4a示出了结构31和表面32的相对定位及其建模，其中图4a和4b示出了相对于表面32位于两个不同位置P1、P2的结构31，而图4c至4f均示出了对应的模型。
[0111] 在图4c中，示出了根据本发明的与结构31相对于表面32的定位P1对应的模型。伸长的静态元胞41被设计成代表根据图4a的结构31的中心相对于表面32的位置和取向。表面32由执行元素42代表。两个可变元胞43、44均被实现为连接至静态元素并代表结构31的一部分。元胞41、43、44线性地布置在延伸方向上。由于用于对结构31相对于表面32的具体位置进行建模的元素数量相当小并且对于系统的这种建模来说复杂度低，所以对计算的要求相应地降低。
[0112] 根据本发明的具体实施方式，执行表面32代表具有用于引导CMM的Z向柱(其可以由执行结构31代表)的至少一个轴承(例如空气轴承)的托架。
[0113] 根据所示的实施方式，结构31和表面32之间的联接(连接)由所示的箭头42a作为符号来表示。
[0114] 当如图4b所示相对于表面32改变结构31的位置并因而改变结构31的指定点的位置，从而使得结构31相对于表面32沿着其延伸轴(向下)运动时，之前代表结构31的位置P1的模型被修改成代表新的位置P2。根据本发明，这种修改通过(仅仅)改变可变元胞43和44的伸长并将另外的模型参数保持为之前根据前一位置设定的那样(特别是保持静态元胞41的全部参数恒定)来进行。因而，通过“收缩”该元胞43的上端并“拉伸”元胞44的下端而使得所有元胞41、43、44上的总长度保持恒定来改变元胞43的伸长。
[0115] 基于如上所述的根据本发明的系统建模，与从
现有技术已知的建模方法相比，能够更快速且更高精度地提供从运动系统部件的振动和/或惯性发生的(指定点的)位置特别是误差的计算。这是通过仅仅使用最少量的所需元素实现给定精度来实现的。
[0116] 通过这样建模，被建模结构31(例如Z向油缸)的固有频率是相当大的。与典型的FEM建模相比，对结构31的仍然匹配选择的固有频率来说所需的本体(元胞)数量显著减少。由于本体数量减少，所需的计算功率也降低。此外，根据所概括的建模，支承力不在有限元的边界上“运动”，因而分别需要更少的元素并且算法复杂度降低。
[0117] 对于所需的建模元素的数量，可以考虑一些更多方面来建立这种模型，例如，对于该数量的元素来说，可获得的精度增加小于1/N，而对于该数量的元素来说，所需的计算功率增加多于N2。
[0118] 因此，优选地，使用代表自然模态数量所需的可能最小的元素数量，同时仍然实现限定的模型精度。
[0119] 具体地说，根据将由该建模以及期望精度代表的自然模态的数量来选择可变FEM部分(可变元胞)的元素的数量。在根据图4c至4d的示例中，由于对称性问题奇数数量元素是有利的。具体地，在这种情况下，发现如下等式能够产生良好的建模结果：
[0120] N＝2*n+1
[0121] 其中N是元素(元胞、本体)的数量，n是待考虑的自然模态的数量。
[0122] 图4e示出了与结构31(图4a)相对于表面32的定位P1对应的根据本发明的模型。伸长第一可变元胞51被设计成代表结构31的中心相对于表面32的位置和取向。表面32由执行元素42代表。另外，两个另外的可变元胞43、44均被实现为各自连接至第一可变元胞51并代表结构31的一部分。元胞51、43、44被线性地布置在线性延伸方向上。
[0123] 当根据图4b改变结构31的位置时，之前代表结构31的位置P1的模型被修改成代表新的位置P2。根据本发明，该修改是通过改变可变元胞51、43、44中的至少一个的伸长或如图4f所示通过改变所有可变元胞51、43、44的伸长来进行的。如在图4f中可以看到，元胞43被缩短，而元胞51和44被拉伸，以代表结构的位置P2，同时所述元胞的长度之和恒定。
[0124] 与已知建模方案相比，能够更快地更高精度地提供从运动部件的振动和/或惯性产生的(例如指定点的)位置和误差的计算。这能够通过使用有限数量的伸长元胞来进行。
[0125] 其中中心元素41、51被分成更多个元素的解决方案也在本发明的范围内。具体地说，可变中心元素51或静态中心元素可以被分成一个或多个静态元素和/或一个或多个可变元素的组合。另外，可变元素43、44也可以被分成一个或多个静态元素和/或一个或多个可变元素的组合。所有这些变型均在本发明的范围内。
[0126] 图5a至5b示出了本发明的另外的实施方式，其中通过五个元胞对例如在图4a中所示的结构进行建模，其中中心元胞41采取静态元胞的形式，即伸长(例如质量和
重心)是恒定的，该静态元胞被联接至参考元素47，该参考元素47相对于所述结构处于固定位置，而另外的元胞43至46被实现为可变元胞，所述可变元胞至少具有关于延伸方向的可变伸长，以对结构的指定点的不同位置进行建模。参考元素47被共同联接至接头48，所述接头48被实现为用于将元胞41与元胞43、44互连并用于提供结构的阻尼和弹性(
弹簧性)特性。
[0127] 图5a描述了该结构(由执行元胞41、43－47代表)相对于参考元素47(例如具有用于保持所述结构的轴承的托架)的第一位置。
[0128] 图5b示出了相对于参考元素47位于不同位置的图5a的被建模结构。这里，该结构向下运动。根据本发明，这种位置变化通过沿着延伸方向改变可变元胞43－46的伸长来进行建模。因此，通过使结构向下运动，元胞43、45被缩短地建模，而元胞44、46被拉伸地建模以便代表新的位置。当根据向上运动对结构进行建模时的其他方式(未示出)时，元胞43、45在被拉伸状态下建模，而元胞44、46在被缩短状态下建模。在两种情况下，中心元胞41保持恒定伸长，并借助于接头48联接至参考元素47。
[0129] 图5c示出了本发明的另外的实施方式，其中如图4a所示的结构通过四个元胞43－46来进行建模。这些元胞43－46可以被实现为关于它们的伸长方向具有可变伸长的可变元胞或者被实现为至少一个具有恒定伸长的静态元胞和至少一个可变元胞。
[0130] 元胞43、44联接至参考元素47。这些元胞中的一个或二者都可以是可变或静态形式。如果使用可变元胞43、44，则结构(图4a)的位置改变可以通过至少改变两个中心元胞43、44的伸长并因而改变参考元素47和元胞43、44之间的联接位置52来进行建模。
[0131] 图6示出了根据图5a的结构的模型，用于示出可利用根据本发明的模型来计算的值的一部分。根据本发明对结构进行建模(如图4c至4d和5a至5b示例性所示)，使得能够计算大量的值，这些值一起代表该结构的实际状态。例如，可以计算如下值：
[0132] ·结构的顶部位置(即元胞45的上端点45t)；
[0133] ·每个元胞的顶部位置45t、中心位置45c和底部位置45b(位移)(仅针对元胞45示例性地示出)；
[0134] ·每个元胞的取向43o(仅针对元胞43示意性地示出)；
[0135] ·元胞的扭曲；
[0136] ·由探针49施加的负载力49f，该探针49被连接至所述结构，并且也被该模型所考虑(该负载力的一部分可能由于惯性和加速度而产生，其一部分可能由于接触对象时的接触力而产生。接触力可以根据探针偏转来计算或者也可以通过力换能器来测量)；以及/或者
[0137] ·根据执行托架47的状态，空气轴承的气隙47g。
[0138] 通过独立地处理这些计算值和/或通过将限定值分配至组(例如中心位置组)并共同处理该组的值，不仅能够描述指定点(或单个元胞)的状态，而且能够计算由这些元胞表示的整个结构的状态。在处理这种成组的值的情况下，例如，可以计算平均值，或者通过拟合至用于导出结构的实际状态的预定数学模型来导出这些值。
[0139] 尽管以上部分地参照一些具体实施方式例示了本发明，但必须理解的是，可以对所述实施方式的不同特征进行特种修改和组合，并且所述不同特征可以与从现有技术公知的建模原理和/或定位系统相组合。
