提高自動化精度的外部系統的製作方法

2023-09-18 02:31:25

提高自動化精度的外部系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及測量系統（所述的系統），它能活動地確定一種運動設備的６自由度（６－ＤＯＦ），其中所述的運動設備可以而非限制性地為一種工業自動化驅動的機械手臂末端工具（ＥＯＡＴ）。所述的系統包括不具有內部測距能力的雷射對瞄設備與裝有ＥＯＡＴ的目標相結合，一起活動地確定至少一個運動設備在不同工作位置時ＥＯＡＴ的動作。
【專利說明】提高自動化精度的外部系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及提聞精度的自動化系統和設備，以及提聞精度的方法。

【背景技術】
[0002]在自動控制裝置和數字控制(NC)運動系統的領域內，大量的精力和研究用於追求對運動裝置和運行系統的建模和特徵描述的精確度的提高。特別是工業自動控制裝置，製造商和次級市場公司主要集中在對自動控制裝置的「再現」條件進行建模。通常，在全面對自動控制裝置工作範圍的各種姿勢下的一次性容積標定結果的基礎上進行調整自動控制裝置運動學模型參數；通常，一個如雷射跟蹤器的外置測量設備用於測量和比較自動控制裝置在定點位置的實際姿勢(或只是位置)。更進一步，上述自動控制裝置容積標定包括在生產車間內定期的進行類似的操作，但不在生產過程中進行。這種離線標定方法只提供了自動控制裝置在特定時間的快照，不能對由於不可避免發生的磨損或可能的熱變形導致精確度降低的系統進行標定。
[0003]本發明涉及各種現有技術的雷射跟蹤系統的方法，它可以對任何一個目標的3至6個自由度(DOF)的定位，標正自動裝置可在工件上執行對準操作。這些現有技術系統和方法，如克雷梅爾斯等人的美國專利號4412121，橋本等人的4707129，劉等人的4714339，哈費等人的4792228，支那等人的5042709，倫德伯格基等人的5100229，斯內爾等人的5907229和梅納德等人的6400452。例如，劉等人的美國專利號4714339，提出通過一個5個自由度跟蹤系統簡化得到一個三維跟蹤系統。
[0004]還有其他提高精度的方法涉及自動控制裝置運動學模型參數的在線更新，通常要麼通過定期對自動控制裝置末端受動器(在不同的姿勢下)固定安裝通常不存在自動控制裝置的實際「工作空間」的傳感器，要麼通過「加強」編碼器來讀取自動控制裝置接合點(或聯合體)。至少有一種方法涉及在自動控制裝置的「工作空間」中測量自動控制裝置末端受動器位置，但不會在自動控制裝置實際工作周期內完成。所有上述方法，是否打算是」一次性」或定期更新，最終只有通過預測，視為」被動」真正知道末端受動器的趨向姿勢。
[0005]自動控制裝置末端受動器(實時)有效測量通過外置測量設備進行長期的調查，同時，許多商業應用目前正在實施或已經實施。但單線觀測儀(LOS)，雷射跟蹤儀和雷射雷達器具備必要的精度用以指導/糾正自動控制裝置的各種製造工藝。雷射跟蹤儀，他們需要時間來「尋找」立體角度的目標。雷射雷達器，通常是半球形掃描目標。每個類型的系統由於昂貴得買不起導致廣泛應用於實時有效糾正自動控制裝置的應用發展緩慢。6-D0F採用傳統的立體角度反射有賴於要麼多個雷射跟蹤儀，要麼，更常見的是，測量多個立體角度的目標在機械手臂末端工具(EOAT)。許多專門設計的目標已經發現，也就所說的5-D0F或6-D0F,通過採用雷射跟蹤儀的單線觀測器(採用幹涉測量法和/或飛行時間，或相位轉換技術)。這樣一個立體角度測量設備具有頂上開的孔比雷射光束直徑還小，允許一部分雷射被後面的光敏檢測器折射，從而提供目標的五自由度(X，1，Z，傾斜，偏離角)，如馬肯多夫等人的美國專利號6667798。例如，祖布如等人的美國出版物號20060222314，增加了 5-D0F目標的發射照片的圖案；當通過外置在雷射跟蹤儀上的攝像機來測量，目標轉動可以確定。通過雷射跟蹤儀背上的起作用的探測器具有多個LED的攝像機用來捕著。在這種情況下，雷射跟蹤系統不會因立體角度浪費時間，因為它可以用先前的探測器位置的信息來使攝像機的LED的測量。這種解決方案有一定的限制。由於觀看攝像機的LED的頂點之間的角度相當小，在LED橫向位置存在一些誤差致使在6-D0F解決方案中的角度測量誤差。類似的角度誤差由光敏器件和立體角度之間的細小的距離產生；一些誤差存在於計算光敏表面的雷射光斑位置的結果中，在目前的大角度測量誤差由於需要保持目標規格足夠小來組裝在自動控制裝置的末端受動器上。此外，此灰度選項相當昂貴，而且探頭太大，定向僅限於安裝在大部分自動控制裝置的末端受動器上，尤其是在這個過程需要一個完整的自動控制裝置運動範圍的姿勢。劉等人的美國出版號20030043362描述了一個通過雷射跟蹤儀可提供6個自由度的目標來有效的進行目標探測，其中偏振光結合使用的是目標的推斷空間。這個目標的優勢是旋轉以保持其垂直入射的跟蹤雷射束孔徑。儘管如此，這一目標還是受到偏離角、傾斜角和空間探測的限制；缺乏對高精度自動控制裝置應用校正所需的準確性；多個末端器設計組合仍然過大；同時價格昂貴。這裡所述的探測器一般太大用於定位接近自動控制裝置的中心點工具(TCP)，當確定TCP姿勢時將導致「槓桿臂」影響。此外，再加上一個事實，它們需要雷射跟蹤儀或攝像機增強雷射跟蹤器來組合，這樣的系統價格昂貴，特別是與一個標準的自動控制裝置的機械臂的基準價格相比。
[0006]最近室內光學全球定位系統的進展已經對許多製造業提供解決方案，可以提供一個通用的自動控制裝置的姿態，但是現在，這個系統還沒有在對那些需要高精度的自動控制裝置導航應用中論證。該系統有大視野接收器用於捕著雷射發射器輸出，但仍是L0S。在高精度自動控制裝置的導航方面，室內GPS的成本效益僅僅只能實現大視野接收器用於大規模的生產車間。
[0007]攝影測量被採用於自動控制裝置有效校正時有不同程度的成功。大多數用於末端效應的「有效」目標，如LED，以及不依賴於傳統技術的使用外部照明的反光貼紙。這些攝影測量解決方案，一般分為兩類。第一類是關於「單傳感器結構」的解決方案，其中多個光敏器件在單一的結構內分配(通常有三種不同的視線從結構內所產生的)。第二類涉及提供在重要空間內使用多個靜態定位攝像機的角度重疊技術。攝影解決方案具有的巨大優勢就是非常高的刷新率(例如，三個目標的測量通常可以在不到一毫秒，並提供六-DOF目標)。這個速度允許對多個協調組件進行不間斷的動態跟蹤，甚至可以接受大多數生產環境中的振動。考慮到這些特點，人們會認為這個邏輯解決方案能夠對高精度自動控制裝置進行最有效的校正。然而，這裡有幾個細微之處需要解釋。首先，在對重要空間內「單傳感器結構」攝影解決方案僅限於一個楔子，通常僅適用於距離設備6米內(距你越近的傳感器，橫向視野變得越小)。由於放置在通用的自動控制裝置末端受動器上的LED目標之間需要適當的空間非常小，通常導致被系統認為在LED之間缺少頂點角。為了把所有的光敏器件和光學器件放在一個單傳感器結構內，彼此之間的視線頂點角就會受到影響。因此，雖然這類傳感器通常具有相當準確的橫向方向，距離測定的最弱點是6-D0F組件。缺少的頂點角可以通過在就近的90度方向上增加另一攝影頭來校正第一攝影頭，但是兩個楔形空間之間的重疊造成的結果是使大多數的應用變得很小。考慮到一個單頭攝影測量系統的成本通常高於雷射跟蹤儀，每次空間測量成本成為一個巨大的影響因素。這第二種方法可有效地攝影測量目標，一般採用重疊視野多角度傳感器，使各攝像機的頂點角顯著提高。在操作過程中，傳感器是靜態定位，攝像機必須是在整個空間內校正。此外，雖然，各攝像機的體積之間的重疊是有限的。而且，儘管這些攝影測量系統類型的傳感器比「單傳感器結構」的品種更便宜，但相比於自動控制裝置的成本，它們仍然相當地昂貴，因此增加了額外的LOS功能通過增加更多的傳感器是難得的一種可行的選擇。
[0008]還有一種可用於確定自動控制裝置EOAT姿態的裝置包括經緯儀和全站儀。現在的全站儀具有自動化模式，使得電子經緯儀可通過計算機遠程為目的/驅動控制。這些設備同樣包括採用反射式測距目標(允許視力測量達到幾公裡)或完全無目標(淺色表面可以在幾百米的距離測量)的距離修正飛行時間裝置。測距精度一般在2-3毫米。系統的精度可達到定位精度(方位角，仰角)為從5-8角/秒級一直到0.5角/秒級的高精度系統。作為一個獨立的萬向坐標系，這種系統不能提供精度比通過自動控制裝置採用已有的高精度建模的更高精度。即使沒有距離修正功能，也支持在自動控制裝置的EOAT上找到3+反射器角度位置以及通過傳統的攝影技術6-D0F的解決方案，再次獲得缺少頂點角的解決方案。多個萬向坐標係為攝影EOAT的6-D0F姿態的測定帶來更多的最佳角度，同時這裡所描述本發明的目的是通過採用更便宜地可做任何範圍檢測的硬體設備。
[0009]「被動地」自動控制裝置糾正的固有局限是，隨著性能的缺陷和現有的「有效地」自動控制裝置校正系統的成本問題，都成為在發展應用中需要考慮的因素，外部有效自動控制裝置校正系統。其他技術包括雷射，聲學，或電線組成的多個長度測量；和多個相機系統。立體三角測量是不可取的，因為它需要最低的兩個跟蹤系統和一個靜態測量技術。同樣，通過攝像機的成像是不可取的，因為該系統的解析度通常過於太低以致於無法充分滿足自動控制裝置的工作範圍，除了不切實際的穩定性外，還需要生成/維持這種光學系統的內部校準精度。
[0010]因此，一個改良的高精度外置自動控制裝置的校正系統和方法是長期需要。


【發明內容】

[0011]一種自動提高精度的系統(所述的系統)，包括若干個可以多軸運動的自動化設備。其中每個自動化設備包括一個手臂，該手臂上設有一個機械手臂末端工具(EOAT)，該工具至少能在一個軸上對工件完成至少一個操作。若干個多軸設備向所述的自動化設備發出雷射束。若干個可移動的目標元件均與每個自動化設備的EOAT相連。每個目標元件是預先在EOAT的坐標系中認證的，由於每個目標元件被多軸設備照亮，因此使自動化設備在工件上實現一個操作之前可以朝向與工件對應的Ε0ΑΤ。每個目標元件包括一個底座，如一塊板，由至少一種金屬材料和非金屬材料製成，並在其中形成多個開口。該底座設有多個可移動的巢元件，它可以與板上設置的，與其對應的開口相連接。所述的底座還包括一個固定在板上的光敏陣列。所有的目標元件都裝在一個框架中，該框架有一個百葉窗設備。一個控制器與目標元件、若干個多軸設備和若干個自動化設備可操作地連通，從而手動至少一個多軸設備使至少一個目標元件運動。
[0012]所述的系統主動地確定自動化設備的6-D0F動作。該系統一方面包括使用多軸設備來將雷射束(雷射對瞄設備，在此也指發射臺)發到裝有EOAT的目標(活動目標)上，主動地確定至少一個動作設備中不同工作位置時的EOAT動作，而不使用任何範圍發現硬體。所述的發射臺小而貴，其自身是模塊化的，因此不需要工作元件就能分開，保證有多個LOS。在本申請中，所述的發射臺工程量和位置是向前設置的，但是這不並能限制本發明的保護範圍，而是可以選擇性地進行工作元件的CAD設計，模擬至少一個運動設備的路徑。該發射臺可以在至少一個運動設備上操作，因此在使用多運動設備時，減少了工作元件系統中每個運動設備的費用。多個LOS確保了更發的頂角，從而可以更精確地確定EOAT的動作，而與許多攝影測量設備不多。所述的活動目標包括至少一個昂貴的攝影設備，非限制性地諸如CMOS或CXD陣列和/或線性陣列。這些設備有一個活動表面區，因此與雷射跟蹤儀不同，通常不需要「搜索」活動目標。一旦所述的工作元件中的系統完成了最初的論證，錯誤的信標或活動目標可以被換出，而不會丟失認證信息。
[0013]本發明的優點之一是所提供的系統能夠不需要購置昂貴的模擬/校正數據包，這些數據包通常都是與工業自動機一起出售的。
[0014]本發明的優點之二是所提供的系統價格低廉，其每個自動化底座的費用明顯低於現有技術中的系統。
[0015]本發明的優點之三是所提供的系統可以用作一種流程監控工具，雖然運動設備的EOAT動作在每個工作位置上是被真實地測量的，而不是像現有的許多「被動」自動提高精度的數據包那樣進行簡單地估計/預計。這種系統可以存儲流程中的動作數據，以便進行後續的分析。
[0016]本發明的優點之四是所提供的系統能顯著減小或消除對動作平臺進行原處校準或鑑定的需要，從而不需要對動作設備進行「模型化」或「特徵化」。雖然這是一種動作測量系統，該系統可以產生更低廉的動作平臺，能夠實現更嚴格的公差構成。一個例子是用更便宜的工業自動機取代昂貴的NC機。
[0017]由於本發明的系統能實時監控EOAT的動作，因此當EOAT工作時(如鑽孔)，會產生一個追蹤/糾正EOAT動作的值。由於可以測量EOAT的實際動作，因此當校正運動設備的動作時，可以克服反彈，因為只有完成一個「可接受」的動作時，運動設備才開始工作。
[0018]本發明的優點之五是所提供的系統是採用一個「黑盒」的方法來自動化地提高精度，有效地測量所有影響自動機動作錯誤的因素，而不是絕對地測量或模製任意單一影響因素。例如，溫度的影響，系統自動核算環境和內部對運動設備的影響(如伺服溫度)。系統也能核算出偏離(認為在自動機中額外安裝滑動結構時，需要額外建模)。即使非幾何效果通常不包括在一個自動機中的運動學模型中，包括諸如聯合的靈活性，連結的靈活性和齒輪傳動誤差，本發明的系統也能主動核算出。利用這種系統也可以追蹤超過數千工作周期內的自動機或末端執行磨損。
[0019]本發明的優點之六是所提供的系統是能通過將活動目標定位在工件上而形成相互連接或者更新坐標系，使工件元件固定在一個可移動的設備上，如一個三角架上或者固定在託盤系統中。這就可以產生多種功能，如使世界產生一部分改變，溫度漂移來校正一個工作元件，原始校準發射臺對世界的動作，隨後再次校準發射臺對世界的動作，或在一個固定的工作元件和一個託盤自動化系統之間建立聯繫，使它發生移動，或者甚至是自動導引車(AGV)系統的監控。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是操控一光束的多軸設備的主視圖。
[0021]圖2是圖1所示的多軸設備的側視圖；
圖3是本發明所述的活動目標設備的分解示意圖；
圖4是密封在一個框架中的活動目標圖；
圖5是一個自動化設備中的機械手臂末端工具的結構示意圖，其中的自動化設備連接有若干個活動目標；
圖6是本發明所述的自動提高精度的外部系統的環境視圖；
圖7在一個典型的製造環境中，自動提高精度的外部系統中各工作構件的示意圖；
圖8是本發明所述的用於校準活動目標的設備的結構示意圖；
圖9是圖8所示的，用於校準活動目標的設備的局部側視圖；
圖10是一個校準過程的示意圖；
圖11是證明那些位於自動化設備中機械手臂末端工具上的活動目標的方法流程圖； 圖12是證明那些位於製造設施的工作元件中的活動目標的方法流程圖；
圖13-15和圖17-19是本發明所述的外部自動提高精度的方法流程圖；
圖16是自動化設備中機械手臂末端工具的另一個結構示意圖，其中的自動化設備上設有若干個與之相連，且被雷射束激活的活動目標。
[0022]下面將結合附圖，詳細說明本發明的具體實施例，從而進一步說明本發明的優點，使之更容易理解。

【具體實施方式】
[0023]附圖中的數字代表相似或相應的部件，本發明的提高自動化和設備中精度的系統和方法通常如圖6中10所示。該系統10包括若干個多軸設備，它們通常如圖1和2中12所示。這些多軸設備12，即發射臺，能操控一個光束14，如一雷射、LED或不限制本發明保護範圍的非連貫源。多軸設備通常是一種如圖1所示的萬向節，圖1是多軸設備12的主視圖，圖2是多軸設備12的側視圖。本領域的普通技術人員使用的其它可以產生和操控光束的設備也屬於本發明的保護範圍。發射臺12顯示了一定的機械對瞄方案(將光束物理地對瞄於一個指揮點的能力)和機械對瞄測定(通過對個方位和用校準編碼器為俯仰角測定雷射束14矢量的能力)。發射臺12可以操控設置在框架20中的一個雷射源(固態二極體、光纖耦合或其他)，產生一個準直或半準直輸出光束14。它也很可能是以一種非傳統光束輸出的雷射，如線性或十字線。如果框架20確定的雷射出口孔22與方位軸26、主軸24不完全匹配，那麼發射臺12將需要模擬/校準，以確定(X，y, z)的雷射出口孔在任何特定對瞄方向上的位置。發射臺12可與發射臺12的一個安裝底座28相連，因此可以很容易地併入到一個製造環境中。服務，如電力、通訊電纜線或航空線30，從工作元件控制器中發出，到達每個發射臺12中。在這個例子中，圖2所示的是雷射出口孔22幾乎與萬向節的旋轉中心重合(安裝在框架的中心)。
[0024]在此，該系統10優選有控制若干個發射臺12的軟體。此外，發射臺製造商可以保留入口和對發射臺進行內部校準/建模的控制。但是，本發明所述的軟體必須能夠對瞄發射臺12 (可以實時反饋)，打開/關閉雷射，並在其自身的坐標系中接收該雷射束14 (1、j、k)的矢量(或仰角、方位角)，也可以再次在發射臺12的坐標系(見上文)中的雷射出口孔22的(x，y，z)。優選的測量系統10將採用新的目標元件，即通常如圖3和4中16所示的活動目標。
[0025]如圖3所示，目標元件16包括了由一塊板44形成的一底座16，其上設有三個或三個以上的連接點或孔40。底座也可以設置成其它結構，而不僅限於板。該板塊44可以由金屬或其它可加工的材料製成，優選的材料是低CTE材料。連接點40接受那些由校準目標孔38支撐的校準目標36。在該實例中，連接點40是榫釘孔，目標孔38是榫釘，磁杯，即通常用於支持經緯儀目標領域，球式安裝的被動攝影目標，球式安裝的主動攝影目標或球式安裝的反射鏡(SMRs)等使用雷射跟蹤儀的。安裝在板44上的是一個光敏陣列34，它可以是一個CMOS陣列、CXD陣列或行掃描傳感器等。陣列的服務42可以包括電力和通訊電纜。
[0026]圖4圖示了封閉或封裝在一個保護框架46中的目標元件16。框架46可設有氣動或電動的百葉窗48。服務50將運行百葉窗48，選擇性地使用一個額外的航空線來定期地去除目標元件16上的灰塵或者產生冰球外殼式空氣壓力，形成一個防塵屏障。由於目標元件16可以安裝到運動設備，即一種自動化設備中，或安裝到工作元件之中，因此它們可能會包括有利於通用化/標準化安裝的榫釘或其他結構。
[0027]圖5圖示了目標元素，通常表示為16，它在自動化設備中一個機械手臂末端工具，即EOAT上使用，EOAT在圖5中表示為53，自動化設備在圖6中表示為55。正如將在後面討論的，優選在E0AT53上，相對於E0AT53的中心軸54安裝(設有L0S) 了至少4個目標元件16。在工作元件加工認證階段，每一個目標元件16是確定在工具坐標系中(Ε0ΑΤ坐標系)，相對於工具中心點，即上述中心軸54。中心軸54被確定為工具坐標的原點。目標元件的服務將穿出自動化設備55，到達EOAT 53。
[0028]圖6圖示了優選的系統將如何在一個製造環境中使用。封裝的目標元件52會安裝到EOAT 53中，隨之額外的目標元件52會安裝到地上,車站工具,或者，例如，碳纖維或混凝土柱62。發射臺12日也將分布在整個工作元件中。它們的數量和位置最優選是根據自動化設備55的計算機模擬，因為它執行預定的進程。由於發射臺12通常能夠更快地引導自動化設備55，使之比自動化設備55完成工作會更快，該系統10使大多數發射臺12工作元件中的其它自動化設備完成重複引導工作，從而降低整個系統的硬體成本。例如，如果需要10秒使自動化設備55在工作元件上鑽孔，這些發射臺可以花費其它7秒鐘來引導工作元件中的其它自動化設備55。在這個例子中，工具TCP 54，也有一個鑽頭，被引導到正確的工作動作，即位置和方向，然後才允許鑽工件56。如上文所暗示的，目標元件16可以與工件56上的控制點相連。這樣部分到整體的關係可確定每個進入工作元件的一部分。
[0029]圖7圖示了與一個典型的製造環境結合的應用系統10。一臺計算機可以控制多個發射臺和EOAT目標元件，它可以將一些額外的目標元件安裝到工件56上，或者分布到工作元件的內部。該種電腦可以與一個或多個行/站的PLC(可編程邏輯控制器)和至少一個自動化控制器通訊。每個目標元件可以有一個機載計算機晶片進行圖像處理，但是如果成本因素超過了對使用周期的需要，那麼這種升級就不是必須的。它的目的是儘管不是必須的，該軟體運行系統10將是自動化設備55的一個「奴隸」，僅在自動化設備55需要時才進行測量。
[0030]圖8和9所示是創造性製造的目標元件16是如何校準的一種新方法。這樣做是為了將光敏陣列(像素空間)的坐標系統與可移動的位置聯繫起來，目標坐標系統中的孔38，將校準文件中的結果儲存，該結果與目標元件16的唯一 ID相聯繫。目標坐標系統產生於圖8和9中61所指示的校準點。額外的標準安裝特徵可以包括目標元件16(如3個從板44後突起的榫釘)和定義在這點此時的「目標坐標系統」。為確保維完整性，校準點61可以保留在一個氣候控制附件(圖中未顯示)中。校準過程見圖10。
[0031]接下來將說明圖8和圖9中所標示的零部件。外部測量系統，如經緯儀，雷射跟蹤儀或攝影測量系統，設置了有關校準點61。適用於外部測量系統的測量目標36是定位於榫釘的目標孔38中，然後被置於(例如)於校準點41上的榫釘孔中。校準點61在第一時間內被認證，校準點61中每個目標位置的坐標(X，y, z)被記錄在「目標坐標系統」中。至少測量三個目標位置後，測量設備就可以在校準點坐標中記錄了。
[0032]如上文所指，目標元件板72與滑動單元70相貼，由服務電纜42供電。操作者(圖中未顯示)在目標板上的榫釘孔40中至少安裝了 3個孔狀目標36。操作者將一個中止設備68設置在兩個點上，這兩個點與校準點61相貼。接著操作者沿圍欄輕輕向前移動滑動單元70，直至中止設備68與光敏陣列34的蓋玻片接觸。此時，滑動單元70鎖定到位，操作者移動中止設備68。優選的實施例是中止設備68與光敏陣列34四周的不活躍區域接觸，而這一切都是需要確定和控制表面和陣列表面之間的製造距離。陣列蓋玻片的製造厚度定為D。
[0033]校準點61在第一時間內被認證，中止設備68中陣列蓋玻片的接觸面被確定為在(例如)「目標坐標系統」Z = D。如果目標坐標的』Z』的軸作為一朝向活動目標的負運行，則意味著光敏陣列表面是在z = O平面的。如圖8所示的軸是定位在一個可能的目標坐標系統方向上，其中的原點位於靠近光敏陣列中心的位置處。校準點61另一方面是雷射輸出孔64。這些孔64將產生聚焦於接近光敏陣列中z = O處的雷射束。在此所示的光束，其橫截面為圓形，但如果目標元件12的光敏元件會產生一個或多個線性陣列，該雷射輸出很可能是一個或多個交叉線的設置。
[0034]在校準點61的原點認證中，經緯儀可以很簡易地用於測量聚焦雷射束位於z =D(蓋玻片)平面上的(X，y)位置。因此，當一計劃將聚焦的雷射束74發射到數組34上，四個雷射光斑中心(例如)中的每一個都已經在坐標空間中公知了。通過在像素點中處理至少三個雷射光斑的中心，因此有足夠的信息來計算被稱為像素空間對校準點的變換矩陣。在此，校準點坐標和目標坐標是同樣使用的。精密加工目標元件16就可以省去整個活動目標的校準程序。在這種情況下，調整定位光敏陣列相對於目標元件16支架的位置，使之非常精確。
[0035]這種方法的後半部分明顯大大增加目標元件16的生產成本。但是，每個目標元件16假設與其它的完全相同，這樣可以使用一個單一的、CAD確定的像素空間對目標坐標變換，目標元件16的各方面都是精密製造的，除了光敏陣列的校準/定位，一是可以不需要外部測量設備來測量孔狀目標的位置。製造商除去如雷射跟蹤儀(-$100，000.00)等外部計量裝置後，，購買或租用(?$1000.00/天)這種測量設備所產生的額外費用可能比精密製造目標元件16的全部部分所產生的額外費用更多。
[0036]另一個被成功用於建立如圖3所不的光敏陣列34的像素坐標與外部測量目標36的位置的關係的方法是由一下方式進行的:通過諸如由Optical Gaging Products(羅切斯特市，紐約，美國)製造的SmartScope Quest 300之類的光學三坐標測量機(CMM)進行活動目標檢測。活動目標被放置在光學CMM的工作區域內，在高倍下(400x至500x)測量光敏陣列上的特徵。一般來說，利用光學CMM測量光敏陣列的四個角。這樣，光敏陣列上至少三個特徵在CMM坐標點中被確定，像素和CMM間的最優值確定了像素-CMM間的轉換關係。之後，利用光學CMM直接確定至少三個外部測量目標36。這樣，隨著像素-CMM轉換關係被建立，CMM坐標中被測量的外部測量目標36的位置能在像素坐標中表示。由於它的高精度(一般來說大約為幾毫米)，高速(每個活動目標低於10分鐘)，以及低成本(光學CMM檢測服務費用低於100美金每小時)，使之成為了活動目標實驗室校準的優選方法。
[0037]總之，目標元件16的實驗室校準能確定光敏陣列中像素點與外部測量目標位置之間的關係，其中外部測量目標能臨時性地附著在活動目標板上。目標元件16的其它特徵，如安裝榫釘，也可以在校準過程中在目標坐標空間中確定。每個目標元件16最有可能具有一個唯一的ID，而活動目標校準文件將連結到所述ID上。這個過程如圖10所示。
[0038]在生產車間內工作單元的認證過程中，所述的校準文件可以使目標元件16的像素點關於另一個坐標系進行定義(如世界坐標系，工件坐標系或工具機坐標系)。這可以在預定的坐標系中設置一個外部測量系統，然後測量目標元件16中至少三個目標位置。一個最適合的3個或更多的數據對(校準文件中獲得的活動目標坐標，外部測量設備獲取的外部坐標系坐標)能產生活動目標對外部坐標系的矩陣。
[0039]圖11總結了一種新的方法，關於所述工具機坐標系中如何將活動目標安裝在自動化設備55。如圖10中描述的目標元件16在校準過程中在預設坐標系中已經確定了位置。通過使用外部測量系統的EOAT坐標系，適當的目標可以嵌套到快板44，它們的位置可以記錄在所述EOAT坐標中。如果至少3個目標這樣做,活動目標對自動控制裝置EOAT的最佳關係可以通過在工具機坐標計算值和存儲在校準文件中的預定目標坐標值之間來建立。如果，在目標元件16插入(例如)到在EOAT的三個樁孔內，所述三個樁孔的工具機坐標可以通過外部測量系統進行測量與記錄，這樣就有能力來交換出有缺陷目標元件16，用來在EOAT上替代目標16，而無需進一步證明(和外部計量系統的使用)來確定活動目標與EOAT的關係。這可以通過(例如)實驗室校準過程在活動坐標空間快板44上記錄的三個樁孔來坐標來實現。當交換出來目標元件16，新的有效目標與EOAT變化可以通過最佳擬合的校樁來計算得到在EOAT上目標空間的樁孔的位置。
[0040]圖12總結了一種新的方法，目標元件16是如何安裝在工作單元上以及在所述工作單元的世界坐標系中進行定義。目標元件16在如圖10中描述的標定過程中已經獲得預定的坐標系值。通過所述的世界坐標系的外部測量系統，適當的目標可以嵌套到有效的目標板的樁孔內，它們的位置可以被世界坐標記錄。如果至少對3個目標這樣做，活動目標與世界坐標系的關係可以通過世界坐標值和標定文件中存儲的預定的目標坐標值的最優關係來進行計算確定。如果，在活動目標插入(例如)到在固定支架的3個樁孔內，這3個樁孔的世界坐標可以通過外部測量系統進行測量與記錄，這樣就有能力來交換出有缺陷目標元件16，用來在固定支架上替代目標16，而無需進一步證明(和外部計量系統的使用)來確定活動目標目標與世界的關係。這可以通過(例如)實驗室標定過程在活動目標空間快板44上記錄的三個樁孔來坐標來實現。當交換出來目標元件16，新的有效目標與世界變化可以通過最佳擬合的校樁來計算得到在固定支架上目標空間的樁孔的位置。
[0041]圖13總結了一種新的方法，目標元件16是如何安裝在工件的控制點可以同時通過所述工作單元的世界坐標系和工件坐標系來進行定義。在這裡，「控制點」是指在在工件坐標系中精確的描述/加工工件的具體的位置；「控制點」的作用是至少在部分生產/裝配工件的過程中提供控制基準值。通過所述的世界坐標系的外部測量系統，每個控制點都能夠在世界坐標系中進行定義。如果至少3個控制點使用所述方法進行測量，工件-時間坐標系之間的轉換可以通過每個控制點在工件坐標系中的最優值進行計算得到。目標元件16在如圖10中描述的校準過程中已經獲得預定的坐標值。
[0042]使用所述的世界坐標系的外部測量系統，適當的目標可以嵌套到活動目標板的木釘，而且它們的位置被記錄在世界坐標系中。由於工件-世界坐標系的轉換關係已經獲得了，所述相同的點同樣能夠在工件坐標系中進行定義。如果至少3個目標這樣做，活動目標-世界坐標系和活動目標對工件坐標系的最優轉換關係都可以通過校準文件中存儲的在世界/工件坐標計算值和存儲在校準文件中的預定坐標值進行建立。在確定活動目標-工件坐標系的轉換關係的時候沒有必要先確定工件坐標系-世界坐標系的轉換關係。但是，確定工件坐標系-世界坐標系的轉換關係在對生產過程進行離線仿真還是有必要的；從本質上講，這是校對工件在工作單元與預定位置之間關係。為了在工件上使用新的活動目標，而不需要通過外部測量系統在此建立活動目標-工件坐標系的轉換關係，，在實驗室校準過程中就需要定義新的活動目標在定義木釘在活動目標板44上的位置。類似的定義過程在EOAT活動目標和固定安裝活動目標過程中已經進行了闡述，此處定義過程沒有區別。依然活動目標-工件坐標系的關係在工件控制點中已經確定，只要工件中的3個LOS從發射臺太活動目標不是相互平行的，這些信息可以用於工件在世界坐標系中進行定位。
[0043]圖14總結了一種新的方法，關於發射臺12在工作單元中的安裝過程在工作單元的世界坐標系中進行定義的方法。該發射臺12控制著雷射束的預期方向。目標元件16，也許安裝在一個可以移動的工作單元的三腳架上，發射臺的雷射束擊中目標元件16的感光陣列來定位。目標元件16在如圖10中描述的校準過程中已經獲得了預定坐標值。通過採用世界坐標系的外部測量系統，適當的目標可以嵌套到有效目標板44的木釘上，而且它們的位置被記錄在世界坐標系中。若果至少3個目標這樣做，活動目標與世界坐標系的關係可以通過世界坐標值和校準文件中存儲的預定的目標坐標值的最優關係來進行計算確定。計算機確定了感光陣列上的雷射光斑中心並把點值發送給世界坐標系。所述發射臺12還能提供發射坐標系中的雷射束的向量值和雷射出口孔徑的U，y, z)值。至少另外兩個發射姿勢重複所述過程。為了獲得最佳結果，第二和第三的發射臺與第一姿勢相互正交。現在，我們在發射臺坐標系(3個雷射出口孔徑(的x，y，z)的啟動位置和3個向量位置)有3個完全不同的向量線，需要在世界坐標系中有三個相叉點。獲得了發射臺世界坐標系轉換的足夠信息。但是，如果發射臺的準確度受到了限制(點向量和雷射出口孔徑的固有值)，在發射臺-世界坐標系的轉換中，希望得到超過3個位置/姿態的測量值。一旦發射臺世界坐標系的轉換關係確立，發射臺就可以直接控制在世界坐標中的任何雷射束坐標點。同樣，如果工件-世界坐標系的轉換關係確立，發射臺也可以控制任何工件的協調。
[0044]圖15和16總結了一種新的方法，關於發射雷射束到安裝了 EOAT的至少4個活動目標上來確定運動裝置中6-D0F的姿勢。圖11為安裝了 EOAT的活動目標在EOAT坐標系中的定乂。因此，每當發射臺指向目標兀件16光敏陣列雷射束,雷射光斑中心能在工件坐標系中獲得相應值。通過發射臺-世界坐標系的轉換關係，雷射束都能夠在世界坐標系中統一定義。因此，工件坐標值必須基於「世界線」。當知道4個或更多的活動目標的所述信息已知時，如果所述至少4個「世界線」沒有相互平行，那麼EOAT的6-D0F姿勢可以被計算。可以通過使用超過4視線來取得增加精確度。這可以通過使用超過4個發射臺/活動目標，或者控制裝置平穩運行來獲得，通過測量多個發射值來測量多餘一個活動目標。
[0045]圖17總結了一種新的方法，關於發射雷射束到安裝了工件的至少3個活動目標上來確定工作單元中工件的6-D0F的姿勢。圖13為安裝了工件的活動目標在工件坐標系中進行定義的過程。因此，每當發射臺指向部件安裝活動目標的光敏陣列雷射束，雷射光斑中心能在工件坐標系中獲得相應值。通過發射臺-世界坐標系的轉換關係，雷射束都能夠在世界坐標系中統一定義。因此，工件坐標值必須基於「世界線」。當3個或更多的活動目標的信息已知時，如果所述至少3個「世界線」沒有相互平行，那麼工件中的6-D0F姿勢可以被計算。所述3個「世界線」的位置為在工件上的活動目標中相互正交。雖然這種情況不可能實現，但可以通過使用超過3視線來提高精確度。知道工件與世界坐標系的轉換關係，如果當前工件的位置與「定義」(設計)的工件位置相同，就能允許運行設備或者設備(存儲在運動程序中)的工作路徑或者位置進行修改。
[0046]這個定義的工件位置可以用一個或多個運動設備程序工作路徑或工作位置的最初的離線自動模擬中。通過運動路徑的離線模擬使得當前工件的姿勢能夠進行』安全』的旋轉和移位。。當然，確定「安全」的工件姿勢同樣也可以不通過離線編程模擬的幫助，其中(目前部分)可把這些對運動設備的姿勢的調整的每個工作位置儲存在運動程序或一個或多個運動裝置的程序中。圖17中的最後一步介紹如何用同樣的方法用於一個』託盤』引導自動控制系統。
[0047]圖18總結了一種計算工作單元內的測量系統的「漂移」解決新的方法。由於在生產環境(發射臺安裝在高的鋼結構上，或者航天翼鑽探的過程需要16小時才能完成)而發生的溫度變化會出現漂移現象。這樣，發射臺-世界坐標系或發射合-工件坐標系的轉換關係會出現定期變化。圖18所示的其他3種提到的情況，在溫度漂移時能根據相同的同法進行修正，即，換出有缺陷的發射臺，監控託盤自動控制系統中的託盤-工作單元的漂移量，或者重新獲得移動發射臺中發射臺-時間坐標系的關係。這個過程是完全類似與圖14所示，在最初的校準過程中，該活動目標沒有臨時性的在工作單元中運行。
[0048]圖19描述了一種精確糾正運動裝置姿勢的新測量系統的方法。這是相當簡單的，不需要進一步討論。同時包括了一種實惠的檢驗裝置，包括運動設備，非接觸式測量傳感工具和新的測量裝置。與系統的主要用途有所不同，從所述傳感器的角度來看，比運動設備的固有的低精度更具有適應性(即非接觸式傳感器仍然可以看到其預定「目標」，因為它擁有一個足夠大的「範圍」來克服運動設備的低精度)只需在工作位置中定義測量傳感器的姿勢即可，。至此，所有內容都假定靜態的運動裝置的姿態糾正。在圖19所示的最後一個文本框解釋了可能需要的修改的特徵，以便使所述的測量系統作能測量移動的EOAT的6-D0F姿態。
[0049]本領域的技術人員通過所述具體實施例，對本發明可以進行修改，對於元件的替換等都沒有偏離本發明的保護範圍。此外，許多修改本發明未提及的根據特定的條件或材料對本發明進行的修改也屬於本發明的保護範圍。因此，本發明的保護範圍不僅限於本發明的【具體實施方式】，還包括所有屬於本發明的保護範圍內的修改。
【權利要求】
1.一種提高自動化精度的方法，其特徵在於，包括步驟: 將作為晶片的光敏陣列附在快板上並將多個安裝元件安裝在快板上以形成活動目標； 將多個可移除的校準目標附在活動目標上； 將至少一個活動目標和可移除的校準目標與一個控制器可操作地連通； 提供一個校準點以建立一個校準點坐標系統； 將至少三個可移除的校準目標附在所述校準點上；以及 與位於所述校準點上的活動目標一起進行校準程序，從而允許多個附在活動目標上的可移除的校準目標能在坐標系中被測量，諸如光敏陣列的像素點，光敏列陣沒有使用透鏡系統，從而進行除了它的光敏表面之外的外部區域的觀察。
2.如權利要求1所述的提高自動化精度的方法，其特徵在於，包括通過使用一個外部測量系統來測量所述可移除的目標元件從而來確定像素-外部坐標系轉換，繼而建立一個相對於外部坐標系的光敏目標的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括校準在像素點中的所述活動目標上連接點的步驟，其中，相應的連接點預先在目標的坐標系中得到認證，所述連接點附在所述目標上，從而不適用外部測量系統來計算像素-外部坐標系轉換。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括通過像素-外部坐標系轉換，將在來自像素點的光敏表面上的雷射束的處理過的圖像轉換為外部坐標系的坐標值。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括通過測量至少三個在外部坐標系中預先定義的光敏目標來確定相對於外部坐標系統的雷射信標的位置和方向的步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，兩個或多個坐標系的關係能夠通過所述雷射信標將至少三個在外部坐標系中預先定義的光敏目標作為目標來確定。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括在少於四個活動目標同時被獨立的雷射信標照亮的情況下，計算目標的自由姿態的六個自由度。
【文檔編號】G01B11/00GK104369197SQ201310358123
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月16日 優先權日:2013年8月16日
【發明者】布雷特·阿倫·博敦, 邁爾斯·丹尼爾·馬基, 麥可·約翰·克裡曼 申請人:維爾瑞爾遜瑞達克遜科技有限公司