利用遞歸濾波對坐標(biāo)測量機(jī)的動態(tài)監(jiān)視的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用遞歸濾波對坐標(biāo)測量機(jī)的動態(tài)監(jiān)視。本發(fā)明提供了一種針對坐標(biāo)測量機(jī)的至少一部分提供動態(tài)狀態(tài)信息的方法，所述坐標(biāo)測量機(jī)包括所述坐標(biāo)測量機(jī)包括：基座，探頭，機(jī)器結(jié)構(gòu)，其具有用于將所述探頭鏈接至所述基座的結(jié)構(gòu)部件，以及至少一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其用于提供所述探頭相對于所述基座的移動性，該方法定義了具有一組實(shí)際的狀態(tài)變量的動態(tài)模型，所述狀態(tài)變量與所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的一組物理性質(zhì)有關(guān)，并且表示了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)，并且通過基于所述動態(tài)模型的計算來推導(dǎo)出所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)。
【專利說明】利用遞歸濾波對坐標(biāo)測量機(jī)的動態(tài)監(jiān)視
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種借助卡爾曼濾波(Kalman-Filtering)來提供坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)的動態(tài)狀態(tài)信息的方法和一種適于執(zhí)行該方法的坐標(biāo)測量機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]為了對預(yù)定物體參數(shù)的正確性(例如物體的尺寸和形狀)進(jìn)行檢測，在生產(chǎn)之后在諸如坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)的坐標(biāo)定位設(shè)備上對工件進(jìn)行檢查是常見的做法。
[0003]在傳統(tǒng)的3-D坐標(biāo)測量機(jī)中，探頭被支承以沿著相互垂直的軸(在X，Y和Z方向)移動。因此，探頭可被引導(dǎo)至坐標(biāo)測量機(jī)的測量空間中的任意點(diǎn)，并且物體是可利用帶有探頭的測量傳感器(探針)測量的。
[0004]在一個坐標(biāo)測量機(jī)的簡單形式中，與各個軸平行安裝的適合的換能器(transducer)能夠確定探測頭相對于坐標(biāo)測量機(jī)的基座的位置，因此,能夠確定傳感器正在接近的物體上的測量點(diǎn)的坐標(biāo)。為了提供探針的可移動性，典型的坐標(biāo)測量機(jī)可包括上面設(shè)置有探頭的框架結(jié)構(gòu)以及用于框架結(jié)構(gòu)的框架部件相對彼此來移動的驅(qū)動裝置。
[0005]為了測量表面變量，基于利用觸覺傳感器和光學(xué)傳感器的測量原理都是已知的。
[0006]一般來說，為了提供具有改善的測量精確度的坐標(biāo)測量機(jī)，其框架結(jié)構(gòu)因此通常被設(shè)計為具有高的靜態(tài)硬度。為了實(shí)現(xiàn)硬度和剛性機(jī)械設(shè)計，框架結(jié)構(gòu)或其至少一部分經(jīng)常由諸如花崗巖的石頭制成。除了諸如熱穩(wěn)定性和良好的減震性能外，花崗巖也會使機(jī)械和可移動框架元件相當(dāng)重。另一方面，為了適合的加速度，高重量也要求很大的力。
[0007]如果采用這種技術(shù)，那么仍然存在多個可能的誤差源。當(dāng)相對于一個框架部件移動另一部件時，機(jī)械部分的共振或振動正是兩個動態(tài)誤差的例子。此外，可發(fā)生靜態(tài)誤差，該靜態(tài)誤差例如是在直線驅(qū)動機(jī)械裝置中的橫向偏移或者不是直線的移動以及軸沒有相互平行。
[0008]根據(jù)很多方法，對所提及的誤差僅進(jìn)行了靜態(tài)分析，然而當(dāng)移動軸時這些誤差也包括依賴于軸的移動，尤其是依賴于位置、加速度、加加速度的動態(tài)因素。利用依賴于速度的校準(zhǔn)被認(rèn)為是簡單且僵化的方式。雖然通過利用位置校準(zhǔn)矩陣能夠在數(shù)值上減小靜態(tài)誤差，但是當(dāng)嘗試著補(bǔ)償動態(tài)誤差時事情會變得復(fù)雜得多。
[0009]當(dāng)考慮到諸如所提到的振動或共振或動態(tài)力等的動態(tài)誤差時，校準(zhǔn)變得甚至更加復(fù)雜，其中，這些誤差不僅能夠影響出現(xiàn)這些誤差的軸，并且也能夠“串?dāng)_”到其他軸并在系統(tǒng)的其他部分引起誤差。此外，潛在的影響也可能取決于諸如溫度、濕度、空氣壓力等的環(huán)境條件，特別是，這些潛在的影響也會隨著機(jī)器的壽命而發(fā)生變化。
[0010]例如，在這種情況下，必須要考慮坐標(biāo)測量機(jī)的一個軸的加速度(其能夠進(jìn)一步移動垂直的軸和探頭)能夠引起坐標(biāo)測量機(jī)的整個框架的線性偏差和角動態(tài)偏差，這又會引起測量不確定性和誤差。通過在小加速度下(例如，通過所期望的移動的最終優(yōu)化的軌道)進(jìn)行測量來減小這些動態(tài)測量誤差。
[0011]已知的方法試圖通過稱為輸入整形(input-shaping)的技術(shù)來抑制由坐標(biāo)測量機(jī)的加速度引起的偏差、振動和/或擺動，該輸入整形利用向驅(qū)動執(zhí)行器控制的輸出上據(jù)此操作的變量來控制諸如推進(jìn)電機(jī)的力量或電流的調(diào)節(jié)變量以避免機(jī)械共振并且防止共振頻率的發(fā)生或者甚至主動地抵消振蕩。
[0012]此外，作為控制形式的模型預(yù)測控制能夠應(yīng)用于CMM，其中在該控制形式中利用設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)作為初始狀態(tài)，通過在每個采樣時刻解決有限范圍開環(huán)最佳控制問題來獲得當(dāng)前控制動作。該最優(yōu)化產(chǎn)生優(yōu)化控制序列，然后向設(shè)備施加該序列中的第一控制。
[0013]作為誤差控制的示例，EP1599990公開了一種坐標(biāo)測量機(jī)的測量坐標(biāo)校正方法及坐標(biāo)測量系統(tǒng)，其在坐標(biāo)測量機(jī)上裝載具有各種重量的零件的同時測量幾何誤差。從每一零件重量的測量結(jié)果中推導(dǎo)出補(bǔ)償參數(shù)并進(jìn)行存儲。正確地讀取與將要測量的零件重量對應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)以對將要測量的零件的測量坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0014]作為另一示例，EP1687589公開了對具有鉸接探頭的坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，該鉸接探頭具有表面檢測裝置。該表面檢測裝置在測量過程中圍繞所述鉸接探頭的至少一個軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該方法包括以下步驟:確定整個設(shè)備或其部分的剛度；確定在任一特定時刻與鉸接探頭所施加負(fù)載相關(guān)的一個或多個因素，并確定表面檢測裝置處由所述負(fù)載造成的測量誤差。
[0015]在GB2425840中公開了另一種利用坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)對工件測量進(jìn)行誤差校正的方法。從而，利用工件感測探頭進(jìn)行位置測量，其中提供了測量加速度的裝置。針對諸如由振動引起的高頻(不可重復(fù))誤差和諸如由于探針上的離心力引起的低頻(可重復(fù))誤差，來對測量進(jìn)行校正。這種校正方法包括:測量工件；從預(yù)定的誤差函數(shù)、誤差映射或者誤差查找表確定可重復(fù)的測量誤差；測量加速度并計算不可重復(fù)的測量誤差；對第一測量誤差和第二測量誤差進(jìn)行組合以確定總誤差；以及利用該總誤差來校正工件測量。預(yù)定的誤差映射是利用已知尺寸的人工制品求得的。
[0016]利用安裝在探針中或測量機(jī)的其他移動部分(例如Z柱和/或基座臺)上的加速度計來允許對外部施加的振動進(jìn)行微差測量和/或評估也是已知的。在這樣的布置中，利用二重積分能夠測量探針位置的錯位和誤差，并且基于該信息有可能利用二重積分信號和標(biāo)尺之間的差來調(diào)節(jié)讀數(shù)。例如，W002/04883公開了這樣的準(zhǔn)靜態(tài)方法。
[0017]為了處理上述誤差尤其是動態(tài)誤差，通常定義CMM的適合模型，其中基于該模型能夠尤其對CMM的框架結(jié)構(gòu)的定位行為進(jìn)行描述。例如，為了查找與CMM的框架部件的實(shí)際定位相關(guān)的校正值，可定義查找表。這樣的CMM建模連同CMM部件的重量(和剛度)減小一起變得更重要。
[0018]重量減小是與坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計相關(guān)的主要課題，因?yàn)槿绻ǜ≈亓?和更小剛度)的坐標(biāo)測量機(jī)部件，那么通過引起影響坐標(biāo)測量機(jī)的更小的力能夠?qū)崿F(xiàn)各個部件的快速定位。另一方面，由減小的剛度和機(jī)器部件的(更快)移動導(dǎo)致的扭力和機(jī)器振動的影響隨著這些部件的重量減小而增加。因此，源自這樣的變形和振動發(fā)生的誤差和推導(dǎo)的測量值的不確定性相應(yīng)增加。用于提供坐標(biāo)測量機(jī)的誤差補(bǔ)償?shù)囊阎２荒茚槍τ绊慍MM測量性能的增加誤差總量進(jìn)行計算和補(bǔ)償。此外，為了對利用重量減小的CMM推導(dǎo)的測量值進(jìn)行補(bǔ)償，這樣的建模也不能高精度地連續(xù)處理或確定誤差的不同種類。
[0019]由于模型僅是現(xiàn)實(shí)的近似，因此它們易于存在由參數(shù)不精確性和建模簡單引起的誤差。尤其是，當(dāng)模型系統(tǒng)包括具有低阻尼(damping)的一個或多個固有模式時，這些誤差會變得顯著。由于簡單的模型、諸如質(zhì)量、慣性、剛性值、阻尼值或幾何性能的不精確的模型參數(shù)、或諸如空氣軸承剛度和阻尼的隨時間和/或位置變化的參數(shù)會引起模型-現(xiàn)實(shí)失配。
[0020]雖然從諸如CAD模型能夠精確地確定質(zhì)量、慣性、幾何性能和剛度值，但是阻尼值或軸承特性的取得更具有挑戰(zhàn)性。尤其是由于空氣軸承剛度和阻尼值隨著空氣軸承壓力改變、方向改變、表面特性和移動速度而非線性地變化，因此空氣軸承剛度和阻尼值是易于發(fā)生失配的參數(shù)。
[0021]有時由于交叉耦合進(jìn)感測軸(例如，從加速度傳感器)，模型的輸入變量(例如，力口速度)經(jīng)常表現(xiàn)出大的測量噪聲。對這些輸入變量(感測數(shù)據(jù))可進(jìn)行低通濾波，而低通濾波引入了依賴于頻率的相移(和依賴于頻率的延遲)，因此，這會在偏差計算中引入誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于提供對CMM實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行基于模型的計算的改進(jìn)方法，其中，通過該計算減小了上述模型-現(xiàn)實(shí)失配，尤其是，其中連續(xù)地提供對偏差的計算。
[0023]本發(fā)明的進(jìn)一步目的是從與模型相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)提供校正位置值的計算，并且針對這些位置推導(dǎo)出誤差值。
[0024]本發(fā)明的另一目的是提供一種用于確定CMM的機(jī)器振動和/或變形的改進(jìn)方法，尤其是，提供一種用于對由這些振動和/或變形引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法。
[0025]本發(fā)明涉及一種針對坐標(biāo)測量機(jī)的至少一部分提供動態(tài)狀態(tài)信息的方法，所述坐標(biāo)測量機(jī)包括所述坐標(biāo)測量機(jī)包括:基座，探頭，機(jī)器結(jié)構(gòu)，其具有用于將所述探頭鏈接至所述基座的結(jié)構(gòu)部件，以及至少一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其用于提供所述探頭相對于所述基座的移動性，該方法定義了具有一組實(shí)際的狀態(tài)變量的動態(tài)模型，所述狀態(tài)變量與所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的一組物理性質(zhì)有關(guān)，并且表示了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)，并且通過基于所述動態(tài)模型的計算來推導(dǎo)出所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，利用所述動態(tài)模型，尤其是利用卡爾曼濾波，通過以下操作來執(zhí)行濾波處理:基于所述狀態(tài)變量推導(dǎo)出一組預(yù)測變量，所述一組預(yù)測變量描述了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的預(yù)期最近狀態(tài)，測量所述物理性質(zhì)中的至少一個并且基于所述測量來確定一組可觀察量，通過將所述一組預(yù)測變量與所述一組可觀察量進(jìn)行比較來推導(dǎo)出一組連續(xù)狀態(tài)變量，所述連續(xù)狀態(tài)變量提供了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的最近狀態(tài)的經(jīng)調(diào)節(jié)表示，并且利用所述一組連續(xù)狀態(tài)變量作為所述一組實(shí)際的狀態(tài)變量來更新所述動態(tài)模型。
[0027]利用本發(fā)明的特定【具體實(shí)施方式】，濾波處理被設(shè)計為線性二次估計量和/或遞歸濾波過程和/或卡爾曼濾波器和/或擴(kuò)展卡爾曼濾波器。
[0028]參考根據(jù)本發(fā)明的濾波處理，以遞歸的方式執(zhí)行濾波(和建模)。基本上，通過預(yù)測變量、與變量的相關(guān)值進(jìn)行物理測量(等于確定可觀察量)、聚合(結(jié)合并比較)預(yù)測和測量并且推導(dǎo)出新變量(變量的估計)。根據(jù)本發(fā)明，也可以使用卡爾曼濾波器總體地執(zhí)行這樣的濾波，并且以下主要參考卡爾曼濾波詳細(xì)描述這樣的濾波。但是，本發(fā)明不局限于使用卡爾曼濾波器，在本發(fā)明的上下文中也可以使用其他的遞歸濾波器方法(例如線性和/或非線性濾波器)。
[0029]濾波處理基于變量的遞歸估計，其中據(jù)此卡爾曼濾波器是遞歸估計量。這意味著(僅)需要來自之前時間步驟和當(dāng)前測量的估計狀態(tài)就可以計算針對當(dāng)前狀態(tài)的估計(實(shí)際化的狀態(tài)變量)。因此，不需要觀察和/或估計的歷史。
[0030]卡爾曼濾波器可寫為單個等式，但是典型地可被概念化成兩個不同的階段:“預(yù)測”和“更新”。預(yù)測階段利用來自之前時間步驟的狀態(tài)變量以產(chǎn)生在當(dāng)前時間步驟的狀態(tài)估計。該預(yù)測狀態(tài)估計也被稱作“先驗(yàn)”狀態(tài)估計，因?yàn)殡m然該預(yù)測狀態(tài)估計是在當(dāng)前時間步驟的狀態(tài)估計，但是并不包括來自當(dāng)前時間步驟的觀察信息。在更新階段中，當(dāng)前的“先驗(yàn)”預(yù)測與當(dāng)前的觀察信息(例如分別與狀態(tài)變量或物理性能相關(guān)的測量)組合以完善狀態(tài)估計。術(shù)語上將改善后的估計稱作“后驗(yàn)”狀態(tài)估計。
[0031]典型地，這兩個狀態(tài)交替，在下一個調(diào)度(scheduled)觀察之前該預(yù)測提前于狀態(tài)，而該更新包含該觀察?？蛇x地，在由于某種原因不能觀察的情況下，雖然在接下來可跳過更新并且可執(zhí)行或者可不執(zhí)行多種更新步驟，但是接下來僅執(zhí)行一個步驟。類似地，如果可同時進(jìn)行多種獨(dú)立觀察，那么可執(zhí)行多個更新步驟(典型的利用不同的觀察矩陣)。
[0032]原則上，卡爾曼濾波器利用系統(tǒng)的動態(tài)模型(例如，移動的物理規(guī)律)和多種相繼的測量(例如從傳感器)，尤其是，已知的控制或激勵輸入到系統(tǒng)以形成對系統(tǒng)的變化量(即，描述系統(tǒng)狀態(tài)的變量)的估計，這比單獨(dú)利用測量來獲得估計更優(yōu)。這樣，卡爾曼濾波器是公共傳感器融合和數(shù)據(jù)融合算法。
[0033]尤其是，基于模型的全部測量和計算在某種程度上都是估計的(例如，噪聲傳感器數(shù)據(jù))，在描述系統(tǒng)如何改變的等式中的近似值和沒有考慮的外部因素引入了關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的推斷值的某些不確定性。卡爾曼濾波器可利用加權(quán)平均的新測量來對系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測進(jìn)行平均。加權(quán)的目的是對具有更好的(即更小的)估計不確定性的值更“信任”。典型地，從協(xié)方差、對系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測的估計的不確定性的測量來計算得出權(quán)重。加權(quán)平均的結(jié)果是位于預(yù)測狀態(tài)和測量狀態(tài)之間且比單獨(dú)的預(yù)測狀態(tài)或測量狀態(tài)具有更好的估計不確定性的新狀態(tài)估計。利用該新估計和通知在隨后的迭代中使用的預(yù)測的協(xié)方差，在每個時間步驟重復(fù)該過程。這意味著，卡爾曼濾波器以遞歸方式工作并且僅需要系統(tǒng)狀態(tài)最后一個“最佳猜測”而不需要系統(tǒng)狀態(tài)的整個歷史就能夠計算新的連續(xù)的或最近的狀態(tài)。
[0034]就不同類型的濾波器而言，卡爾曼濾波器可被視為最簡單的動態(tài)貝葉斯(Bayesian)網(wǎng)絡(luò)之一?？柭鼮V波器利用引入的測量和數(shù)學(xué)處理模型在時間上遞歸地計算測量的真實(shí)值的估計。類似地，遞歸貝葉斯估計利用引入的測量和數(shù)學(xué)處理模型在時間上遞歸地計算未知的概率密度函數(shù)(PDF)的估計(參見C.Johan Masreliez, R.D.Martin(1997), “Robust Bayesian estimation for the I inear model androbustifying he Kalman filter，，，IEEE Trans.Automatic Control)。在遞歸貝葉斯估計中，將真實(shí)狀態(tài)假設(shè)為是不遵循馬爾科夫(Markov)過程，并且測量是隱馬爾科夫模型(HMM)的觀察狀態(tài)。
[0035]典型地，基本卡爾曼濾波器與線性假設(shè)有關(guān)。但是，更復(fù)雜的系統(tǒng)可以是非線性的，其中，非線性可以與處理模型相關(guān)聯(lián)、或者與觀察模型相關(guān)聯(lián)，或者與(用擴(kuò)展的卡爾曼濾波器建模的)兩者相關(guān)聯(lián)。
[0036]此外，非線性度也可以在當(dāng)前狀態(tài)被線性化，然后再使用基本的卡爾曼濾波器。[0037]在擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)中，狀態(tài)轉(zhuǎn)換和觀察模型不必是狀態(tài)的線性函數(shù)，而可以是非線性函數(shù)。這些函數(shù)是可微類型的?？梢允褂眠@樣的第一函數(shù)根據(jù)之前的估計來計算預(yù)測的狀態(tài)，類似地，可以使用這樣的第二函數(shù)從預(yù)測的狀態(tài)來計算預(yù)測的測量。但是不能將這兩個函數(shù)直接用于協(xié)方差。而是計算偏導(dǎo)數(shù)(雅克比行列式，Jacobian)的矩陣。
[0038]在每個時間步驟中，利用當(dāng)前預(yù)測的狀態(tài)來估計雅克比行列式。這些矩陣可以用在卡爾曼濾波器等式中。該過程本質(zhì)上對當(dāng)前估計附近的非線性函數(shù)進(jìn)行線性化。
[0039]關(guān)于遞歸濾波器方法的原理，可以從以下得到更多的細(xì)節(jié)信息，例如“KalmanFiltering-Theory and Practice using MATLAB，，, Mohinder Grewal, Augus Andrews, JohnWiley and Sons,第三版，2008 年 9 月；或者 “Optimal State Estimation:Kalman, Hinfinity and Nonlinear Approches”，D.Simon, Wiley-1nterscience,第一版，2006 年 6月。
[0040]與從現(xiàn)有技術(shù)中已知的僅加速度信號進(jìn)行積分(例如，以推導(dǎo)出速度或位置信息)相反，根據(jù)本發(fā)明的開環(huán)建模和濾波器能夠減小由于模型-現(xiàn)實(shí)失配所引起的誤差，尤其是減小由于低阻尼模式引起的誤差。此外，對參數(shù)的識別和/或估計對于識別、估計和/或跟蹤變化的或未知的參數(shù)(例如，可以隨時間變化的阻尼參數(shù)和空氣軸承剛度)來說特別有用。根據(jù)本發(fā)明的方法的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是具有低(或甚至沒有)相位延遲的濾波傳感器數(shù)據(jù)的可能性，因此，本發(fā)明的方法具有低(或甚至沒有)延遲。噪聲減小得到了優(yōu)化并且實(shí)現(xiàn)了具有傳感器加權(quán)的傳感器融合。不僅由受控機(jī)器移動引入的誤差而且由機(jī)器環(huán)境引入的誤差都能夠被確定并且被補(bǔ)償。
[0041]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步【具體實(shí)施方式】，基于動態(tài)模型推導(dǎo)出坐標(biāo)測量機(jī)的至少一部分的實(shí)際變形和/或錯位，尤其是其中，對實(shí)際變形追蹤預(yù)定時間段，和/或基于動態(tài)模型推導(dǎo)出坐標(biāo)測量機(jī)的指定點(diǎn)的實(shí)際位置，尤其是其中，對指定點(diǎn)的位置追蹤預(yù)定時間段。
[0042]優(yōu)選地，本發(fā)明的方法適于計算坐標(biāo)測量機(jī)的至少一部分的偏差，因此，尤其提供了針對CMM的校正值。根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，提供了對機(jī)器上指定點(diǎn)或機(jī)器部件的絕對位置的計算。
[0043]關(guān)于本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，通過基于動態(tài)模型執(zhí)行計算來推導(dǎo)出預(yù)測變量。
[0044]此外，根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步【具體實(shí)施方式】，在預(yù)定時間間隔內(nèi)執(zhí)行濾波處理，其中，在預(yù)定時間段內(nèi)觀察對至少一個物理性能的測量。通過設(shè)定一個預(yù)定時間間隔，建模的準(zhǔn)確度和計算時間能夠適應(yīng)測量要求(例如，快與精確測量)。
[0045]此外，可通過使連續(xù)狀態(tài)變量組中的至少一個連續(xù)狀態(tài)變量與預(yù)測變量和/或與可觀察的組的可觀察量相適應(yīng)來詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的方法。
[0046]在根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的上下文中，通過從預(yù)測變量組和可觀察量組計算加權(quán)平均來推導(dǎo)出補(bǔ)償值，其中，至少一個連續(xù)狀態(tài)變量被調(diào)整為補(bǔ)償值，尤其是其中，該補(bǔ)償值是從定義的預(yù)測變量和各個可觀察量中推導(dǎo)出的，尤其是其中，預(yù)測變量、可觀察量和連續(xù)狀態(tài)變量與相同的物理性能有關(guān)。
[0047]因此，能夠執(zhí)行對狀態(tài)變量的測量值和預(yù)測值的比較，并且基于該比較能夠推導(dǎo)出這些變量各自的值。例如，針對變量的一個值保留預(yù)測的值，一個其他的值被修改為與測量值適應(yīng)，并且在測量值與預(yù)測值之間設(shè)置了針對另一變量的值。
[0048]此外，根據(jù)本發(fā)明，通過對預(yù)測變量組和可觀察量組進(jìn)行處理可確定誤差值，尤其是，針對連續(xù)狀態(tài)變量和/或預(yù)測變量中的至少一個確定誤差值，通過將各個至少一個物理性能的測量值與針對各個狀態(tài)變量或預(yù)測變量的預(yù)測值比較可確定誤差值，和/或基于該誤差值來自適應(yīng)(adapt)至少一個連續(xù)狀態(tài)變量。
[0049]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的【具體實(shí)施方式】，利用各自的傳感器的測量而生成的傳感器數(shù)據(jù)被用于推導(dǎo)可觀察量組，和/或基于濾波處理被過濾和適應(yīng)性改變，以便減小傳感器噪聲，尤其是，其中沒有相位延遲地執(zhí)行對傳感器數(shù)據(jù)的濾波和自適應(yīng)。
[0050]為了提供用于對連續(xù)狀態(tài)變量進(jìn)行推導(dǎo)的參數(shù)，關(guān)于測量狀態(tài)變量和/或預(yù)測變量和/或模型輸入的可能輸入值(從傳感器測量或從軌跡)，可提供加速度、速度、位置、錯位、方向、彎曲、變形、扭矩(roque)或力信息,或者一些這樣的輸入的組合。通過測量可確定一些輸入值，并且可從路徑規(guī)劃軌跡計算一些輸入值。此外，通過偏差的測量可間接地確定輸入值。
[0051]尤其是，狀態(tài)變量、預(yù)測變量、可觀察量和/或連續(xù)變量可定義以下值中的至少一個，和/或可定義至少部分坐標(biāo)測量機(jī)的各個值的改變:
[0052]?質(zhì)量
[0053]?慣性
[0054]?幾何性質(zhì)
[0055]?剛度
[0056]?阻尼
[0057]?軸承性質(zhì)
[0058]?扭矩
[0059]?溫度
[0060]?濕度
[0061]?速度和/或
[0062]?施加的力
[0063]參見本發(fā)明的另一方面，可以計算建立時間并且可以基于所述濾波過程生成建立信號以補(bǔ)償利用所述坐標(biāo)測量機(jī)執(zhí)行的測量，其中，所述建立時間表示為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的測量精度而保持所限定的測量位置的時長，尤其是其中，所述建立信號被處理以控制所述探頭相對于測量點(diǎn)的重新定位和/或保持所限定的位置，或者生成輸出信號，尤其是聲音和/或光信號，用于向操作者提供信息以便按照所限定的測量精度進(jìn)行手動測量。
[0064]因此，可以使用動態(tài)模型來計算為了在利用CMM探測期間實(shí)現(xiàn)所限定的精度所需的建立時間。此外，該方法可以被用來優(yōu)化軌跡限制(例如，有關(guān)猛拉或加速)以便在掃描移動過程中實(shí)現(xiàn)所限定的精度。因此，使用根據(jù)本發(fā)明的建模和濾波能夠優(yōu)化測量速度并增大生產(chǎn)量而不會妨礙精度目標(biāo)。
[0065]根據(jù)本發(fā)明，分別由CMM或卡爾曼濾波執(zhí)行的濾波處理提供了識別和調(diào)節(jié)有失配傾向的參數(shù)，例如空氣軸承剛度和阻尼值，因?yàn)樗鼈兪桥c空氣軸承壓力改變、定位改變、表面特性、空氣間隙和CMM部件的移動速度呈非線性關(guān)系改變的。其他要識別或調(diào)節(jié)的參數(shù)例如是阻尼和剛度值、質(zhì)心或慣性。
[0066]關(guān)于建立模型來提供根據(jù)本發(fā)明的方法的適當(dāng)模型，可以選擇幾種建模方法。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，可以使用2013年2月5日提交的申請?zhí)枮镋P13153954.6的歐洲專利申請中描述的建模方法來獲得具有少量元件，例如線性軸的模型并使處理時間非常短。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，采用了 CMM的相關(guān)部分的2D模型，這在不同建模平面之間的交叉耦合可以忽略或者定義了耦合2D模型的情況下是可能的，其中，不同平面之間的有限交叉耦合是可能的，或者根據(jù)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】提供了 3D建模，其中，3D模型可以是優(yōu)選的，如果平面之間的主要交叉耦合效應(yīng)要被表示。這種建模方法和對這些模型的求解例如在2013年2月5日提交的申請?zhí)枮镋P13153980.1的歐洲專利申請中描述了。
[0069]本發(fā)明還涉及一種坐標(biāo)測量機(jī)，該坐標(biāo)測量機(jī)包括基座，探頭，機(jī)器結(jié)構(gòu)，其具有用于將所述探頭鏈接至所述基座的結(jié)構(gòu)部件，至少一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其用于提供所述探頭相對于所述基座的移動性，以及控制和處理單元，其被設(shè)置為執(zhí)行建模功能。通過執(zhí)行該建模功能，定義了具有一組實(shí)際的狀態(tài)變量的動態(tài)模型，所述狀態(tài)變量與所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的一組物理性質(zhì)有關(guān)，并且表示了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)，并且通過基于所述動態(tài)模型的計算來推導(dǎo)出所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)。
[0070]根據(jù)本發(fā)明，所述建模功能包括濾波算法，尤其是利用卡爾曼濾波，通過執(zhí)行該濾波算法:基于所述狀態(tài)變量推導(dǎo)出一組預(yù)測變量，所述一組預(yù)測變量描述了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的預(yù)期最近狀態(tài)，測量所述物理性質(zhì)中的至少一個并且基于所述測量來確定一組可觀察量，通過將所述一組預(yù)測變量與所述一組可觀察量進(jìn)行比較來推導(dǎo)出一組連續(xù)狀態(tài)變量，所述連續(xù)狀態(tài)變量提供了所述坐標(biāo)測量機(jī)的所述至少一部分的最近狀態(tài)的經(jīng)調(diào)節(jié)表示，并且利用所述一組連續(xù)狀態(tài)變量作為所述一組實(shí)際的狀態(tài)變量來更新所述動態(tài)模型。
[0071]此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述坐標(biāo)測量機(jī)的控制和處理單元被設(shè)置為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的(如上所述)的方法。
[0072]與本發(fā)明的另一【具體實(shí)施方式】有關(guān)，所述坐標(biāo)測量機(jī)包括用于對所述物理性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)視，尤其是對所述坐標(biāo)測量機(jī)處的激勵和/或碰撞進(jìn)行測量的傳感器，尤其是加速度傳感器和/或偏轉(zhuǎn)傳感器和/或振動拾波器，尤其是其中，傳感器增益是基于所述動態(tài)模型的計算而可調(diào)的。
[0073]根據(jù)本申請的上述【具體實(shí)施方式】，分別利用CMM執(zhí)行的濾波處理提供了識別和調(diào)節(jié)有失配和漂移傾向的參數(shù)，例如傳感器信號的便宜和增益因子，例如加速度、速度、陀螺儀、距離、錯位、彎曲、扭矩和/或力傳感器。例如，能夠基于該濾波方法來調(diào)節(jié)加速度傳感器的增益和/或偏置的熱漂行為。
[0074]另外，本發(fā)明還涉及一種具有計算機(jī)可執(zhí)行指令的計算機(jī)程序產(chǎn)品，該計算機(jī)可執(zhí)行指令用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，尤其是在根據(jù)被白飯的坐標(biāo)測量機(jī)的控制和處理單元上運(yùn)行時。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0075]以下參考在附圖中示意性示出的實(shí)施方式更詳細(xì)的描述或解釋僅作為示例的根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置。具體地，
[0076]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的坐標(biāo)測量機(jī)的第一示例性實(shí)施方式；[0077]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的坐標(biāo)測量機(jī)的第二示例性實(shí)施方式；
[0078]圖3是例示根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施方式的模型和濾波的一般原理的框圖；
[0079]圖4a至圖4e示例性示出了關(guān)于現(xiàn)實(shí)以及關(guān)于基于模型的計算，尤其是關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的基于模型的計算，一個系統(tǒng)變量在時間上的改變和由該改變引起的錯位進(jìn)程。
【具體實(shí)施方式】
[0080]圖1中描述了根據(jù)本發(fā)明的門式坐標(biāo)測量機(jī)I (CMM)的示例性實(shí)施方式，坐標(biāo)測量機(jī)I包括基座11和用于將探頭15鏈接到基座11的框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)包括多個框部件12、13、14，這多個部件可相對于另一個移動。第一框架部件12是具有兩個門柱的門，其中，通過在這兩個門柱的上端處的橋接部分將兩個門柱連接。由驅(qū)動裝置(未示出)驅(qū)動的框架部件12能夠沿著基座11的縱向側(cè)移動。該方向?qū)?yīng)于第一方向X。尤其是，通過附接到基座11的齒條來執(zhí)行框架部件的移動，其中該齒條與框架部件12上的小齒輪(pinion)相嚙
八
口 ο
[0081]在框架部件12的橋接部分上可移動地設(shè)置有滑架14。利用齒條和小齒輪也可以實(shí)現(xiàn)滑架14 (其可被視為另一個框架部件)的移動。構(gòu)成另一框架部件的垂直桿13 (套筒，Z立柱)可移動地與滑架14結(jié)合。在垂直桿13的底部設(shè)置有探頭15。
[0082]探頭15可沿著X、Y和Z方向移動到坐標(biāo)測量機(jī)I的測量容積(工作區(qū))中的任意期望點(diǎn)。測量容積是由基座11和框架部件12、13尤其是由滑架14的移動范圍來限定的。三個空間方向Χ、Υ和Z優(yōu)選地彼此垂直，但是這對于本發(fā)明來說不是必要的。應(yīng)當(dāng)注意，未示出驅(qū)動裝置和用于驅(qū)動框架部件和據(jù)此用于驅(qū)動探頭15的控制器。
[0083]待測量的物體5被放置在基座11上的測量容積的空間中。
[0084]示例性地設(shè)置有觸針(stylus)的探頭15被固定在桿13的下自由端上。采用已知的方式使用觸針來接觸待測量的物體5。但是本發(fā)明并不局限于觸覺坐標(biāo)測量機(jī)，并且本發(fā)明也可用于使用以非接觸方式接近測量點(diǎn)的坐標(biāo)測量機(jī)，即，例如具有光掃描頭的坐標(biāo)測量機(jī)。更一般地，探頭15可被設(shè)計用來布置接觸探針，例如掃描探針或接觸觸發(fā)探針，或者非接觸探針，尤其是是光學(xué)探針、電容探針或電感探針，或鉸接探針。
[0085]位于可移動部件和導(dǎo)軌之間的兩種最常見類型的軸承是空氣軸承或滾珠軸承(例如，線性循環(huán)加軌)?？諝廨S承具有這樣的優(yōu)勢:在移動中不存在摩擦(該摩擦?xí)氩煌N類的誤差，例如角度誤差或遲滯現(xiàn)象)?？諝廨S承的缺點(diǎn)在于剛性比滾珠軸承低，因此尤其會發(fā)生動態(tài)誤差。在滾珠軸承類型中，軸承系統(tǒng)中的剛度通常較高，但是存在摩擦，并且摩擦力會引入誤差。但是，本發(fā)明可以應(yīng)用于這兩種類型的軸承。
[0086]綜上，建立坐標(biāo)測量機(jī)I是為了確定待測量的物體5上的測量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，因此，為了使探頭15相對于基座11沿著第一方向、第二方向和第三方向(X、Y和Z方向)移動，坐標(biāo)測量機(jī)I包括三個線性驅(qū)動裝置，尤其包括提供額外的旋自由度的機(jī)器部件。
[0087]每個線性驅(qū)動裝置都具有線性導(dǎo)軌，分別是一個沿著第一方向、一個沿著第二方向、一個沿著第三方向(X、Y和Z方向)。在簡單的實(shí)施方式中，由基座11的構(gòu)成邊緣的兩個表面形成X-方向驅(qū)動裝置的線性導(dǎo)軌，由橋接部分的兩個或三個表面形成Y-方向驅(qū)動裝置的線性導(dǎo)軌，由Y-滑架元件中的立方體孔形成Z-方向驅(qū)動裝置的線性導(dǎo)軌。
[0088]此外，每個線性驅(qū)動裝置都包括被支承的可移動元件以利用軸承沿著導(dǎo)軌移動。尤其是，X-方向驅(qū)動裝置的可移動元件被實(shí)現(xiàn)為具有相對于上述基座11的兩個導(dǎo)向表面彼此相對的表面的X-滑架。Y-方向驅(qū)動裝置的可移動元件被實(shí)現(xiàn)為具有相對于上述橋接部分的兩個或三個的導(dǎo)向表面彼此相對的表面的Y-滑架。此外，Z-方向驅(qū)動裝置的可移動元件是由具有相對于Y-滑架中的立方孔的內(nèi)表面彼此相對的表面的Z柱13 (軸套)形成的。
[0089]此外，每個線性驅(qū)動裝置都包括線性測量工具，該線性測量工具用于分別確定分別沿著第一方向、第二方向和第三方向(x、y和Z方向)的每個可移動兀件的第一驅(qū)動位置、第二驅(qū)動位置和第三驅(qū)動位置。
[0090]在圖1的示例性實(shí)施方式中，每個門柱都具有允許第一框架部件12沿著X-方向移動的可移動的X滑架。
[0091]作為X-測量工具一部分的測量標(biāo)尺IOX示意性地表示在基座11的長側(cè)上，其中標(biāo)尺IOX與X-方向平行地延伸。標(biāo)尺可以是例如具有增量刻度或絕對值刻度的玻璃測量標(biāo)尺，利用該刻度能夠確定X滑架的X-方向上的驅(qū)動位置。應(yīng)當(dāng)理解，雖然為了簡潔的目的在此未表示出，但是測量工具可進(jìn)一步包括用于讀取測量標(biāo)尺IOX的適合的傳感器。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于使用玻璃測量標(biāo)尺，因此也可以使用用于記錄驅(qū)動裝置的可移動部件的驅(qū)動/行進(jìn)-位置的其他測量工具。
[0092]在第一框架部件12的橋接部分上與Y-方向平行地設(shè)置另一測量標(biāo)尺IOY。最后，在Z柱14上與Z-方向也平行地設(shè)置另一測量標(biāo)尺10Ζ。通過利用作為線性測量工具的測量標(biāo)尺ΙΟΥ、10Ζ,有可能采用已知的方式計量地記錄在Y-方向的第二框架部件14的當(dāng)前驅(qū)動位置和在Z-方向的軸套13的當(dāng)前驅(qū)動位置。
[0093]在所示的實(shí)施方式中，基座11包括具有用于支承被測量物體并且在其上確定測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)的花崗巖平臺。
[0094]未示出被設(shè)計為致動坐標(biāo)測量機(jī)I的馬達(dá)驅(qū)動以使探頭15行進(jìn)至測量點(diǎn)的控制和處理單元?？刂坪吞幚韱卧ㄌ幚砥骱痛鎯ζ?。尤其是，控制和處理單元被設(shè)計為用來將物體5上的測量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)確定為三個驅(qū)動裝置的至少第一驅(qū)動位置、第二驅(qū)動位置和第三驅(qū)動位置的函數(shù)。
[0095]為了進(jìn)行人工操作，控制單元可與用戶操作臺連接。控制單元也可能全自動地接近待測量的物體5的測量點(diǎn)并對其進(jìn)行測量。
[0096]因?yàn)橐话惴N類的坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計以及不同線性導(dǎo)軌和不同線性測量工具的設(shè)計對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的，所以必須理解，可以進(jìn)行很多修改和不同特征的組合。所有這些修改都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0097]因此，本發(fā)明可通常利用所有類型的坐標(biāo)測量機(jī)，即利用被設(shè)計為平行運(yùn)動機(jī)的CMM以及利用具有線性運(yùn)動或連續(xù)運(yùn)動的CMM。示例性地，CMM可被設(shè)計為橋型機(jī)、L-橋型機(jī)、水平臂型機(jī)、懸臂型機(jī)或門架型機(jī)，或者可以被設(shè)計為鉸接臂。此外，也可以將本發(fā)明上下文中的CMM理解為用于精確定位和/或精確組裝工件的系統(tǒng)，和/或用于施加材料(例如噴射或印刷涂料或其他材料)的工具。這樣的系統(tǒng)被設(shè)計用于對由各個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限定的工作容積內(nèi)的位置進(jìn)行移動和測量，并且這樣的系統(tǒng)定義在其中高精度地定位系統(tǒng)部件的坐標(biāo)系統(tǒng)。尤其是，這樣的系統(tǒng)提供了相對于另一工件高精度地運(yùn)載或放置工件。例如，基于本發(fā)明的動態(tài)模型的執(zhí)行可控制并操作提供精確定位和/或測量能力的機(jī)器人。[0098]此外，根據(jù)本發(fā)明，控制和處理單元包括用于基于模型對坐標(biāo)測量機(jī)I的偏差進(jìn)行動態(tài)、尤其是連續(xù)計算的功能，該模型表示由狀態(tài)變量定義的至少一部分CMM1。為了推導(dǎo)出CMMl的精確狀態(tài)，執(zhí)行濾波處理，其中基于狀態(tài)變量推導(dǎo)出描述CMMl的預(yù)期連續(xù)狀態(tài)的進(jìn)一步的預(yù)測變量(估計)。此外，通過例如測量物理性能來監(jiān)視狀態(tài)變量或物理性能，并且確定關(guān)于各個狀態(tài)變量的值的變化。在濾波處理的進(jìn)一步的步驟中，將監(jiān)視的變量(具有確定的變化)與預(yù)測變量比較，并且基于該比較推導(dǎo)出新的一組連續(xù)的狀態(tài)變量。這些變量表示CMMl的最近(即連續(xù)的)狀態(tài)。例如，可通過計算加權(quán)平均進(jìn)行對變量的比較，其中更高確定性的變量被賦予更多的權(quán)重。
[0099]采用一組連續(xù)的狀態(tài)變量來升級該模型。因此，基于這些連續(xù)的變量對前一組變量進(jìn)行實(shí)際化，特別地其中，用連續(xù)的變量替換先前的變量。例如，用實(shí)際化的力的值替換關(guān)于在CMMl處的力的先前值。
[0100]然后，根據(jù)一組連續(xù)變量或根據(jù)實(shí)際化的模型分別計算CMMl的連續(xù)狀態(tài)。因此，例如，CMMl的實(shí)際彎曲或扭曲，或至少一部分CMMl的實(shí)際彎曲或扭曲能夠被推導(dǎo)成連續(xù)的狀態(tài)。此外，能夠計算結(jié)構(gòu)的錯位或CMMl的指定點(diǎn)的錯位，并且從該錯位能夠生成關(guān)于CMMl的探針(或探頭15)的錯位的誤差信息。可選地，根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步【具體實(shí)施方式】，利用該誤差信息來補(bǔ)償測量值。
[0101]根據(jù)該【具體實(shí)施方式】，通過持續(xù)地更新建模參數(shù)(變量)并且利用實(shí)際參數(shù)重復(fù)地計算坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)際狀態(tài)來遞歸地執(zhí)行以上的計算(利用計算出的估計值和測量出的變量)。因此，可以忽略一個或更多個模型參數(shù)的歷史發(fā)展，并且在僅一個時間步驟(例如從對坐標(biāo)測量機(jī)的第一計算至第二計算)觀察并存儲變量，其中，要執(zhí)行的時間步驟可針對各個計算進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可跳過某個時間步驟或使用交替的時間步驟。
[0102]此外，根據(jù)本發(fā)明的建模方法能夠分別地追蹤C(jī)MMl的至少一部分的狀態(tài)并推導(dǎo)出該部分的變形或錯位。因此，根據(jù)本發(fā)明來定義模型并對物理參數(shù)執(zhí)行濾波以及計算CMMl的實(shí)際狀態(tài)，能夠減少由于CMMl的動態(tài)動作而導(dǎo)致的誤差。以上描述的功能提供了對機(jī)器參數(shù)進(jìn)行動態(tài)建模和計算偏差、特別是校正或補(bǔ)償偏差，即針對動態(tài)改變的偏差，改進(jìn)的基礎(chǔ)和精確的基礎(chǔ)。
[0103]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的坐標(biāo)測量機(jī)2 (CMM)的第二示例性實(shí)施方式，其中，坐標(biāo)測量機(jī)2包括基座21和部件22、23和24，這些部件用于提供探針15相對于基座21在三個方向(X-方向、Y-方向和Z-方向)上的移動性。因此，利用將三個部件22、23、24與基座21鏈接的驅(qū)動裝置(未示出)，部件22、23和24能夠相對于彼此移動。
[0104]待測量的物體6被放置在基座21上。為了測量該物體6，探頭15接近物體6的表面。根據(jù)引導(dǎo)探頭15處的觸摸測量傳感器的預(yù)定測量路徑來確定坐標(biāo)，并且根據(jù)該測量來確定物體的表面輪廓。
[0105]坐標(biāo)測量機(jī)2還包括存儲物體數(shù)據(jù)的存儲單元。利用測量推導(dǎo)出物體6的表面數(shù)據(jù)之后，將該數(shù)據(jù)與存儲在存儲單元中的物體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且基于對數(shù)據(jù)的比較來識別該表面中的可能變化。
[0106]此外，定義了提供關(guān)于CMM2 (或CMM2的至少一部分)的位置和/或偏差的實(shí)際狀態(tài)信息的模型。基于表示CMM2的該部分的物理性能的狀態(tài)變量來建立該模型，并且將狀態(tài)變量存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置中?？梢酝ㄟ^基于該模型的計算來推導(dǎo)出CMM2的該部分的實(shí)際狀態(tài)(即結(jié)構(gòu)部件的位置和/或所述部件的偏差)。為了計算實(shí)際狀態(tài)，定義并執(zhí)行濾波處理，其中從狀態(tài)變量中計算估計函數(shù)(estimator),并且對狀態(tài)變量的至少一個物理性質(zhì)監(jiān)視(即測量)預(yù)定時間段?？赏ㄟ^將特定的傳感器(例如，加速度傳感器或應(yīng)變計)附接到CMM2并利用該傳感器生成追蹤信號來執(zhí)行該監(jiān)視。
[0107]基于該監(jiān)視并基于計算出的估計函數(shù)來定義一組連續(xù)的變量，其中這組連續(xù)的變量可包含等于先前一組變量的值的變量值，并且可包括不同于和先前組一致的值的值。例如，關(guān)于框架部件的速度參數(shù)保持為常量，但是(例如其由應(yīng)變儀測量的)彎曲值在監(jiān)視時間段上減小。通過從連續(xù)的組計算出坐標(biāo)測量機(jī)2的新的實(shí)際狀態(tài)，例如通過構(gòu)建加權(quán)平均并且根據(jù)該平均限定連續(xù)的變量，來考慮變量(即物理性質(zhì)的變量)的監(jiān)視到的變化和對變量的估計。
[0108]在本發(fā)明的上下文中，可以向一組作用(校正)變量提供動態(tài)模型，并且通過另外地處理這些作用(校正)變量來確定一組連續(xù)的狀態(tài)變量，這些作用變量可以從軌跡或從執(zhí)行的測量推導(dǎo)出。
[0109]利用這樣的方法能夠追蹤C(jī)MM2的物理參數(shù)的改變和代表CMM2的模型的變量的改變，并且基于該改變和基于該改變的計算，能夠允許對所建模的CMM部分的行為進(jìn)行真實(shí)的動態(tài)描述。因此，針對即時彎曲，基于該模型能夠推導(dǎo)出CMM2的至少一部分的彎曲、錯位、扭曲和/或振動。此外，可以從該模型確定相應(yīng)的誤差，并且可以通過將推導(dǎo)出的誤差值與實(shí)際測量的位置值沖銷(charge against)來校正該誤差。
[0110]圖3示出了例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的建模和計算坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)際狀態(tài)的一般原理的框圖。
[0111]在第一步驟S31中，定義了利用一組實(shí)際狀態(tài)變量32來表示坐標(biāo)測量機(jī)的至少一部分的動態(tài)模型。這一組狀態(tài)變量表示了 CMM的該部分的一組特定的物理參數(shù)。首先，為了對CMM的至少一部分，尤其是整個CMM的最初模型狀態(tài)(和對應(yīng)的機(jī)器狀態(tài))進(jìn)行建模，可以為這些變量設(shè)置所限定的值，并且將最初模型狀態(tài)和相關(guān)的變量值定義為起始點(diǎn)?；谧畛跄Ｐ蜖顟B(tài)，可計算相應(yīng)的機(jī)器狀態(tài)，其表示CMM的該部分的真實(shí)(最初)狀態(tài)。尤其是，假設(shè)機(jī)器部件位于限定的位置并且沒有相對于彼此移動，那么可以以非常精密和準(zhǔn)確的方式來計算并定義這樣的初始狀態(tài)。
[0112]根據(jù)本發(fā)明，從一組真實(shí)的變量32 (例如從初始狀態(tài))開始，計算預(yù)測變量(步驟33)，其描述了至少一部分CMM的該至少一部分的期望最近(接續(xù)真實(shí))狀態(tài)。這樣的計算可以是基于動態(tài)模型的，其中通過應(yīng)用與模型相關(guān)的算法，尤其是與它們的不確定性一起從實(shí)際狀態(tài)變量推導(dǎo)出預(yù)測變量(步驟33)。尤其是，針對整組狀態(tài)變量推導(dǎo)出用于預(yù)測CMM的隨后狀態(tài)的參數(shù)，但是，本發(fā)明也涉及僅針對一組實(shí)際狀態(tài)變量32的一部分計算預(yù)測參數(shù)。
[0113]此外，為了確定變量中的至少一個變量的變化，可分別測量(監(jiān)視)狀態(tài)變量(或至少部分變量)和/或與其相關(guān)的物理性質(zhì)(步驟34)。優(yōu)選地，在限定時間段上以限定的實(shí)際化間隔來觀察這些測量(步驟34)。典型地，這樣測得的值可包括依賴于所使用的傳感器(例如由于各個傳感器的噪聲)的隨機(jī)變化和進(jìn)一步的不準(zhǔn)確性。
[0114]在根據(jù)本發(fā)明的濾波處理的下一步驟35中，將計算出的預(yù)測變量33與基于測量34的觀察量進(jìn)行比較?；诒容^35，推導(dǎo)出描述CMM實(shí)際化(連續(xù))狀態(tài)的一組連續(xù)的狀態(tài)變量。換句話說，利用測量出的物理性質(zhì)(狀態(tài)變量)34來更新這些估計值(預(yù)測變量)，例如，利用對更高確定性的估計值賦予更大權(quán)重的加權(quán)平均函數(shù)?？梢詢H利用當(dāng)前的輸入測量值和之前計算出的狀態(tài)來實(shí)時地運(yùn)行這樣的過程。不需要額外的過往信息。
[0115]利用推導(dǎo)出的一組連續(xù)的狀態(tài)變量36來計算并推導(dǎo)出坐標(biāo)測量機(jī)的該部分的實(shí)際化的最近狀態(tài)38。因此，使測量的變量和估計(預(yù)測變量)的組合能夠生成比基于單一測量或計算的變量更精確地描述CMM狀態(tài)的連續(xù)變量36。因此，通過基于更新模型的計算能夠推導(dǎo)出CMM的最近狀態(tài)。
[0116]此外，一組連續(xù)的狀態(tài)變量36 (更新的估計值)被遞歸地代入模型37，特別地，其中用一組連續(xù)的狀態(tài)變量36來替換模型所使用的一組狀態(tài)變量32。
[0117]此外，從這些更新的變量開始，以環(huán)形(10p-1ike)方式重復(fù)如上所概述的濾波處理。在這種背景下，可以以限定的重復(fù)率來執(zhí)行濾波，和/或可監(jiān)視并觀察變量(例如由變量表示的物理性質(zhì))的測量預(yù)定時間段。
[0118]追蹤一組狀態(tài)變量的變化并且(繼續(xù))針對各個變量通過組合所估計/預(yù)測的變量和測量值來計算真實(shí)機(jī)器狀態(tài)，這允許對例如振動的生成和傳播以及機(jī)器部件中的形變進(jìn)行計算，并且基于此來確定測量誤差和對該誤差的補(bǔ)償。
[0119]圖4a至圖4e示例性示出了關(guān)于現(xiàn)實(shí)、技術(shù)方法的情形以及根據(jù)本發(fā)明的建模/濾波過程，在時間上的一個系統(tǒng)變量(X-方向上的加速度)的改變以及由該改變弓I起的錯位進(jìn)程。
[0120]圖4a示出了表示X-方向上的CMM的結(jié)構(gòu)部件的第一點(diǎn)(例如安裝在第一框架部件上用于測量測量標(biāo)尺上的X位置的讀取頭)在時間t上的(引入的)加速度ax的圖。針對第一時間段Pl，第一點(diǎn)沒有被加速(加速度ax=0)并且例如沿著X方向以恒定速度移動。時間段Pl后，第一點(diǎn)被正向加速直到達(dá)到預(yù)定的加速度值al，該加速度值被保持達(dá)第二時間段P2。然后，第一點(diǎn)被減速(慢下來)直到再次達(dá)到加速度值0，其中，第一點(diǎn)保持沒有加速度的狀態(tài)達(dá)第三時間段P3。
[0121]圖4b描述了 CMM的第二指定點(diǎn)根據(jù)圖4a的驅(qū)動的在X-方向的錯位行為Λ χ(例如，探測頭相對于第一框架組件的X-方向的錯位/變形)。隨著時間的實(shí)際錯位和/或變形Ax用線41示出。線41表示當(dāng)改變第一點(diǎn)的加速度時基本如實(shí)際發(fā)生的錯位行為。在這種背景下應(yīng)當(dāng)注意，典型地，引入加速度的點(diǎn)(第一點(diǎn))的位置不同于確定(例如，由加速度引起的)實(shí)際錯位的點(diǎn)(第二指定點(diǎn))的位置。從線41可以看出，當(dāng)改變加速度值時，X-方向的錯位沒有相應(yīng)地發(fā)生改變，而是不同于由于在X-方向的位置發(fā)生振動所引起的加速度的線性增大。此外，如圖41a所示，根據(jù)加速度可出現(xiàn)額外的非線性峰。
[0122]CMM的結(jié)構(gòu)組件的這種非線性和動態(tài)行為例如源自對機(jī)器組件的固有頻率的激勵、當(dāng)利用線性驅(qū)動裝置使第一組件相對于第二組件移動時在CMM的多個組件中傳播(例如，由于驅(qū)動的振動被傳遞到其他機(jī)器部分)的受激振動。因此，特定機(jī)器部分內(nèi)的振動可被放大和/或可被疊加和/或可影響其他機(jī)器部分，這會導(dǎo)致單個機(jī)器部件或一組機(jī)器部件的相當(dāng)復(fù)雜的振動行為。
[0123]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的建模，錯位Λ χ的相應(yīng)計算沒有描述結(jié)構(gòu)(指定點(diǎn))的真實(shí)振動行為而是很粗略地對X-錯位進(jìn)行了近似。形變基本上被計算為均衡位置并且不包括由于動態(tài)形變引起的效果。例如在上面引用的ΕΡ1687589中描述了這樣的計算和相應(yīng)的模型。
[0124]圖4c示出了根據(jù)動態(tài)模型計算出的X-方向的錯位Λχ，其中該計算是基于根據(jù)圖4a的CMM的激勵(加速度改變)來進(jìn)行的。對CMM的各個部分應(yīng)用動態(tài)模型以計算偏差，即，指定點(diǎn)的錯位Λχ。為了精確地計算偏差和激勵隨時間的推移(這里是指加速度的改變)，采用了內(nèi)部系統(tǒng)變量及其偏差，并且利用狀態(tài)變量來計算形變。線42示出了所計算的隨時間的錯位的結(jié)果，其中該錯位是由如圖4a中示出的加速度的改變引起的。
[0125]利用這樣的動態(tài)建模和計算，獲得了關(guān)于錯位ΛΧ的相當(dāng)精確的結(jié)果，其基本上表現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)(即指定點(diǎn))的行為，但仍然與真實(shí)的偏差值存在較小的偏離。例如，在2013年2月5日提交的歐洲專利申請N0.ΕΡ13153980中描述了這種模型和計算方法。
[0126]圖4d示出了根據(jù)本發(fā)明計算出的CMM在X-方向的錯位Λχ。此外，該計算是基于根據(jù)圖4a的CMM的激勵(加速度的改變)來進(jìn)行的。動態(tài)模型被設(shè)計用來描述CMM的實(shí)際狀態(tài)。通過計算來從諸如模型中推導(dǎo)出預(yù)測變量(估計值)，預(yù)測變量是CMM的近似狀態(tài)。此外，執(zhí)行測量(以限定的間隔達(dá)預(yù)定時間段)，其中測量并觀察與狀態(tài)變量或變量本身相關(guān)的物理性質(zhì)。通過將預(yù)測變量與測量信息進(jìn)行組合并且將預(yù)測變量與測量信息比較來生成一組連續(xù)的變量，其表述了與現(xiàn)實(shí)接近的CMM的連續(xù)狀態(tài)?；谶@一組連續(xù)的變量，推導(dǎo)出CMM的實(shí)際化狀態(tài)并將這一組連續(xù)變量提供給模型以替換先前的一組狀態(tài)變量。因此，通過(連續(xù)地)更新變量并且重復(fù)計算來提供遞歸計算。
[0127]利用這樣的計算，可以隨在時間來追蹤結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和/或CMM的指定第二點(diǎn)的位置。線43示出了這種建模和計算(濾波)的結(jié)果。從線43的走勢可以看到，根據(jù)本發(fā)明的對坐標(biāo)測量機(jī)或者對僅坐標(biāo)測量機(jī)的一部分的描述與坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)際行為很好地相符，并且非常精確地表現(xiàn)了坐標(biāo)測量機(jī)中現(xiàn)實(shí)發(fā)生的效應(yīng)。如43a區(qū)域中的線43所描述的，基本上能夠計算甚至在現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的非線性峰。
[0128]為了更好地概述，在圖4e中一起示出了現(xiàn)實(shí)發(fā)生的形變(錯位)和圖4b至圖4d的所建模的形變。如前所述，線41示出了現(xiàn)實(shí)行為，線42和43示出了根據(jù)已知動態(tài)模型(參見圖4c)和根據(jù)本發(fā)明的濾波(參見圖4d)計算出的錯位。可以看出，(使用根據(jù)本發(fā)明的模型生成的)線43表現(xiàn)出與真實(shí)發(fā)生的錯位很接近，因此是最接近于現(xiàn)實(shí)的，并且最適合用于計算CMM的真實(shí)狀態(tài)。
[0129]根據(jù)本發(fā)明計算的偏差值可用來校正測得的探頭位置值(例如，將待測量物體上的測量點(diǎn)的測量位置)，因此，可減小由于CMM的動態(tài)行為所引起的誤差。由靜態(tài)效果和動態(tài)效果(包括固有頻率)引起的誤差都可以被校正。
[0130]因此，根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)建模、濾波和計算能夠推導(dǎo)出CMM的實(shí)際振動狀態(tài)，并且能夠提供對機(jī)器振動引起的誤差的非常精確的補(bǔ)償。
[0131]雖然以上部分地參考一些【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行例示，但是應(yīng)當(dāng)理解，對于【具體實(shí)施方式】的不同特征可以有很多改變和組合，可以利用建模和計算原則和/或現(xiàn)有技術(shù)已知的坐標(biāo)測量機(jī)將不同的特征結(jié)合。
【權(quán)利要求】
1.一種提供坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的至少一部分的動態(tài)狀態(tài)信息的方法，所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)包括: 基座(11，21)， 探頭(15)， 機(jī)器結(jié)構(gòu)，其具有用于將所述探頭(15)鏈接至所述基座(11，21)的結(jié)構(gòu)部件(12-14，22-24)，以及 至少一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其用于提供所述探頭(15)相對于所述基座(11，21)的移動性，該方法 定義了具有一組實(shí)際的狀態(tài)變量(32 )的動態(tài)模型(31)，所述狀態(tài)變量(32 ) ?與所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的一組物理性質(zhì)有關(guān)，并且?表示了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)，并且通過基于所述動態(tài)模型的計算來推導(dǎo)出所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)(38), 該方法的特征在于 利用所述動態(tài)模型，尤其是利用卡爾曼濾波，通過以下操作來執(zhí)行濾波處理: 基于所述狀態(tài)變量推導(dǎo)出(33)—組預(yù)測變量，所述一組預(yù)測變量描述了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的預(yù)期最近狀態(tài)， 測量(34)所述物理性質(zhì)中的至少一個并且基于所述測量(34)來確定一組可觀察量，通過將所述一組預(yù)測變量與所述一組可觀察量進(jìn)行比較(35)來推導(dǎo)出(36) —組連續(xù)狀態(tài)變量，所述連續(xù)狀態(tài)變量提供了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的最近狀態(tài)的經(jīng)調(diào)節(jié)表示，并且 利用所述一組連續(xù)狀態(tài)變量作為所述一組實(shí)際的狀態(tài)變量來更新(37)所述動態(tài)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 基于所述動態(tài)模型(31)來推導(dǎo)出所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的指定點(diǎn)的實(shí)際位置和/或移位和/或?qū)嶋H變形，尤其是其中，跟蹤所述指定點(diǎn)的位置和/或?qū)嶋H變形預(yù)定時間段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于， 通過執(zhí)行基于所述動態(tài)模型的計算來推導(dǎo)出(33)所述預(yù)測變量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的方法，其特征在于， 按照預(yù)定時間間隔來執(zhí)行所述濾波處理，其中，觀察所述至少一個物理性質(zhì)的測量(34)預(yù)定時間段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的方法，其特征在于， 使所述一組連續(xù)狀態(tài)變量中的至少一個連續(xù)狀態(tài)變量適應(yīng)于(35，36)所述預(yù)測變量和/或所述一組可觀察量中的可觀察量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的方法，其特征在于， 通過根據(jù)所述一組預(yù)測變量和所述一組可觀察量計算加權(quán)平均來推導(dǎo)出補(bǔ)償值，其中，至少一個連續(xù)狀態(tài)變量被調(diào)節(jié)(35，36)成所述補(bǔ)償值，尤其是其中，所述補(bǔ)償值是從所限定的預(yù)測變量和相應(yīng)可觀察量推導(dǎo)出的，尤其是其中，所述預(yù)測變量、所述可觀察量和所述連續(xù)狀態(tài)變量與相同的物理性質(zhì)有關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的方法，其特征在于， 通過對所述一組預(yù)測變量值和所述一組可觀察量進(jìn)行處理來確定誤差值，尤其是，針對至少一個所述連續(xù)狀態(tài)變量，通過將至少一個相應(yīng)物理性質(zhì)的測量值與相應(yīng)變量的預(yù)測值進(jìn)行比較來確定所述誤差值，和/或 基于所述誤差值來調(diào)節(jié)(35，36)至少一個連續(xù)狀態(tài)變量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的方法，其特征在于， 各個傳感器通過測量所生成的傳感器數(shù)據(jù) 被用于推導(dǎo)(34)所述一組可觀察量，和/或 基于所述濾波處理被濾波和調(diào)節(jié)以降低傳感器噪聲，尤其是其中，對所述傳感器數(shù)據(jù)的濾波和調(diào)節(jié)是在沒有相位延遲的情況下執(zhí)行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項所述的方法，其特征在于， 所述濾波處理被指定為線性二次估計器和/或遞歸濾波過程和/或卡爾曼濾波器和/或擴(kuò)展卡爾曼濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項所述的方法，其特征在于， 所述狀態(tài)變量、所述預(yù)測變量、所述可觀察量和/或所述連續(xù)變量限定了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的以下值中的至少一個和/或相應(yīng)值的變化: 質(zhì)量， 慣性， 幾何性質(zhì)， 剛度， 阻尼， 軸承性質(zhì)， 扭矩， 溫度， 濕度， 速度，和/或 施加的力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任意一項所述的方法，其特征在于， 計算建立時間并基于所述濾波過程生成建立信號以補(bǔ)償利用所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)執(zhí)行的測量，其中，所述建立時間表示為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的測量精度而保持所限定的測量位置的時長，尤其是其中，所述建立信號被處理以 控制所述探頭相對于測量點(diǎn)的重新定位和/或保持所限定的位置，或者生成輸出信號，尤其是聲音和/或光信號，用于向操作者提供信息以便按照所限定的測量精度進(jìn)行手動測量。
12.—種坐標(biāo)測量機(jī)(1,2),該坐標(biāo)測量機(jī)(I，2 )包括 基座(11，21)， 探頭(15)， 機(jī)器結(jié)構(gòu)，其具有用于將所述探頭(15)鏈接至所述基座(11，21)的結(jié)構(gòu)部件(12-14，22-24)，至少一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其用于提供所述探頭(15)相對于所述基座(11，21)的移動性，以及 控制和處理單元，其被設(shè)置為執(zhí)行建模功能，通過執(zhí)行該建模功能， ?定義了具有一組實(shí)際的狀態(tài)變量(32)的動態(tài)模型(31)，所述狀態(tài)變量(32) ?與所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的至少一部分的一組物理性質(zhì)有關(guān)，并且?表示了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)，并且?通過基于所述動態(tài)模型的計算(37)來推導(dǎo)出所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的實(shí)際狀態(tài)， 該坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的特征在于 所述建模功能包括濾波算法，尤其是利用卡爾曼濾波，通過執(zhí)行該濾波算法: 基于所述狀態(tài)變量推導(dǎo)出(33)—組預(yù)測變量，所述一組預(yù)測變量描述了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的預(yù)期最近狀態(tài)， 測量(34)所述物理性質(zhì)中的至少一個并且基于所述測量(34)來確定一組可觀察量，通過將所述一組預(yù)測變量與所述一組可觀察量進(jìn)行比較(35)來推導(dǎo)出(36) —組連續(xù)狀態(tài)變量，所述 連續(xù)狀態(tài)變量提供了所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述至少一部分的最近狀態(tài)的經(jīng)調(diào)節(jié)表示，并且 利用所述一組連續(xù)狀態(tài)變量作為所述一組實(shí)際的狀態(tài)變量來更新(37)所述動態(tài)模型。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)，其特征在于， 所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的所述控制和處理單元被設(shè)置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-12中任意一項所述的方法。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)，其特征在于， 所述坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)包括用于對所述物理性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)視，尤其是對所述坐標(biāo)測量機(jī)(I, 2)處的激勵和/或碰撞進(jìn)行測量的傳感器，尤其是加速度傳感器和/或變形傳感器和/或振動拾波器，尤其是其中，傳感器增益是基于所述動態(tài)模型的計算可調(diào)的。
15.一種具有計算機(jī)可執(zhí)行指令的計算機(jī)程序產(chǎn)品，該計算機(jī)可執(zhí)行指令用于執(zhí)行權(quán)利要求1-11中的一項所述的方法，尤其是在根據(jù)權(quán)利要求12-14中任意一項所述的坐標(biāo)測量機(jī)(1，2)的控制和處理單元上運(yùn)行時。
【文檔編號】G01B21/00GK103968789SQ201410043549
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月5日
【發(fā)明者】伯恩哈德·施普倫格 申請人:赫克斯岡技術(shù)中心