改进精度的机床系统及其方法

1.一种在工厂中改进机器精度的方法，包括下列步骤：
(a)根据通过机器控制器操作的机器控制指令，把一台具有末端作用器的机床驱动到第一指定位置，所述指令从机床所加工工件或组件的数字定义产生；
(b)当机床停止在第一指定位置时精确测量末端作用器的位置；
(c)在计算机中将测得的位置与第一指定位置进行比较；
(d)如果实测位置与指定位置间的差别超过了预定的阈值，从计算机向机床发送增量修正指令以调整末端作用器的位置，及
(e)以来源于工件数字定义的，用根据工件、组件或相关夹具上关键要素在加工机器上的这一工件时的实际位置变化测量值在计算机中算出的结构标尺来标度一个指定的位置，并响应于同一结构标尺调整增量修正指令。
2.根据权利要求1的方法，还包括：
(i)在工件、机器或工厂的温度发生预定增量的改变时，根据加工期间对工件的实际尺寸的测量用标度因子调整来源于数字定义的指定位置；
(ii)在完成权利要求1的步骤(a)至(e)后以及标度指定位置后，用机床在工件上钻第一个孔；
(iii)重复权利要求1的步骤(a)至(e)，并标度指定位置以将机床移到第二个指定位置，该第二指定位置对应工件上根据数字定义的第二个孔；以及
(iv)在步骤(iii)后，第二个指定位置上用机床在工件上钻第二个孔，可选的，该方法还包括使用安装在机床中并用来源于工件的数字定义的机器指令被引导到检查特征的机器指令位置上的检验探头测量加工后的工件的步骤，所述测量涉及对一套检查特征的测量，所述测量被引导为接受工件并通过向机器提供增量修正指令以提高其精度而被增大，得到该增量修正指令是在计算机中将用和计算机联系的独立测量系统测得的检验探头的真实位置的测量值和机器指定位置相比较。
3.由权利要求1的方法所得到的精确的钻孔工件。
4.一种在工厂中改进机器精度的方法，包括步骤：
(a)根据从机床所加工工件或组件的数字定义产生的指令，把一台在机器控制器的控制下的并具有末端作用器的机床驱动到第一指定位置；
(b)当机床停止在第一指定位置时精确测量末端作用器的位置；
(c)在计算机中将测得的位置与第一指定位置进行比较；
(d)如果实测位置与指定位置间的差别超过了预定的阈值，从计算机向机床发送增量修正指令以调整末端作用器的位置；
(e)通过调整用根据加工中工件实际尺寸的测量值得到的标度因子从数字定义导出的指定位置，为工件、机器或工厂的预定增量的温度变化而产生的温度效应标度指定位置，包括步骤：
(1)测量一个工件的尺寸作为初始基准；
(2)当机床停止在第一指定位置时复测该工件的尺寸；
(3)比较复测值和初始基准以计算一个标度因子；以及
(4)根据该标度因子调整指定位置或数字数据集说明。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括步骤(f)：标度用根据工件、组件或相关夹具关键要素的位置变化的测量值得到的结构标尺从数字定义导出的指定位置并响应于该结构标尺调整增量修正指令。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括步骤(g)：使用安装在机床中并用来源于工件的数字定义的机器指令被引导到检查特征的机器指令位置上的检验探头测量加工后的工件，所述测量涉及对一套检查特征的测量，所述测量被引导为接受工件并通过向机器提供增量修正指令以提高其精度而被增大，得到该增量修正指令是在计算机中将用和计算机联系的独立测量系统测得的检验探头的真实位置的测量值和机器指定位置相比较。
7.根据权利要求4的方法，其中标度因子是复测值与初始基准之比。
8.根据权利要求4的方法，其中标度因子是第一级修正，其用普通标量改变沿笛卡儿坐标系中任一轴的尺寸使得标度假定工件是各向同性的。
9.一种改进机器精度的方法，包括步骤：
(a)使用在机器控制器中处理的机器程序，把机器上的末端作用器移动到第一加工位置；
(b)在该第一位置处停止移动；
(c)在停止时，用与机器分开的独立的，高精度的测量装置测量机器在第一加工位置的真实位置；
(d)在和机器控制器和测量装置联系的计算系统中，将真实位置与从用于把末端作用器移动的第一加工位置的工程规格中得到的指定位置进行比较；及
(e)如果真实位置和第一加工位置的差别超过了预定的阈值，从计算系统向机床提供增量修正徐徐送进指令以校正第一加工位置。
10.一种改进机器精度的方法，包括步骤：
(a)使用从工件的工程规格中得到的机器程序移动机床，在机器控制器中处理该程序；
(b)使用与机器分开但靠近机器的独立的光学测量系统独立地测量机床的真实位置，该测量系统使用激光来确定三维位置，该测量仅发生在机床根据步骤(a)移动后并停止以后；及
(c)从计算机向机床的机器控制器提供位置调整指令以校正由步骤(a)中移动机床而得到的机床的位置，该调整指令是根据在计算机中的真实位置和机器程序所要的位置之间的比较。
11.一种在工厂中改进机器精度的方法，包括步骤：
(a)根据从机床所加工的工件或组件的数字定义产生的指令，把一台具有末端作用器的机床驱动到第一指定位置；
(b)当机床停止在第一指定位置时精确测量末端作用器的位置；
(c)在计算机中将测得的位置与第一指定位置进行比较；
(d)如果实测位置与指定位置间的差别超过了预定的阈值，从计算机向机床发送增量修正指令以调整末端作用器的位置；
(e)通过调整用根据加工中工件实际尺寸的测量值得到的标度因子从数字定义导出的指定位置，为工件、机器或工厂的预定增量的温度变化而产生的温度效应标度指定位置，包括步骤：
(1)测量一个工件的尺寸作为初始基准；
(2)当机床停止在第一指定位置时复测该工件的尺寸；
(3)在计算机中比较复测值和初始基准以计算一个标度因子；以及
(4)根据该标度因子调整计算机中的指定位置或数字数据集说明。
12.根据权利要求11的方法，其中位置测量用光学的方法来完成。
13.根据权利要求11的方法，其中增量修正指令是机器程序的位置调整语句。
14.根据权利要求11的方法，其中末端作用器位置的测量包括用一台独立的测量装置查询机器上至少一个定向反射器。
15.根据权利要求11的方法，还包括步骤：
标度用根据工件、组件或相关夹具关键要素的位置变化的测量值得到的结构标尺从数字定义导出的指定位置并响应于该机构标尺调整增量修正指令。
16.根据权利要求11的方法，还包括步骤：
使用安装在机床中并用来源于工件的数字定义的机器指令被引导到检查特征的机器指令位置上的检验探头测量加工后的工件，所述测量涉及对一套检查特征的测量，所述测量被引导为接受工件并通过向机器提供增量修正指令以提高其精度而被增大，得到该增量修正指令是在计算机中将用和计算机联系的独立测量系统测得的检验探头的真实位置的测量值和机器指定位置相比较。
17.一种在工厂中改进机器精度的方法，包括步骤：
(a)把一台具有末端作用器以及处理机器程序的机器控制器的机床驱动到第一指定位置，该机器程序基于从机床所加工的工件或组件的数字定义产生的指令；
(b)停止机床末端作用器；
(c)当机床停止在第一指定位置时用与机床分开的独立的测量系统精确测量末端作用器的位置；
(d)在计算机中将测得的位置与第一指定位置进行比较；
(e)如果实测位置与指定位置间的差别超过了预定的阈值，从计算机向机床发送增量修正指令以调整末端作用器的位置。

改进精度的机床系统及其方法\n技术领域\n[0001] 本申请要求1996年6月6日提交的美国临时申请60/019,196的权利。\n[0002] 本发明与机器控制有关，更具体地说是与采用三维激光测量机床的真实位置以增进机器的精度和控制的方法有关。本发明尤其在根据工件数字定义进行精密加工、检验或两者兼有时非常有用。一个优化的方法、设备及相关软件提供了机床的端点控制，把孔和其它要素准确地定位于空间结构的各个具体零件上。\n背景技术\n[0003] 机床表现出难于最小化的尺寸定位误差，这些定位误差的主要来源是(1)由于加工时工厂内的温度变化造成的机器结构和工件的膨胀和收缩，以及(2)机器每根轴线本身的和相互之间的机械偏斜。机器的精度常常很不确定以至必须用独立的测量方法对工件的尺寸进行生产后检验，这种检验需要专门工具和技术工人，以及可观的工厂空间，它使生产进程减慢，检验不合格时，工件必须返工或报废。生产后检验、返工和报废是由不良设计或不良加工工艺造成的。本发明的方法致力于误差的根本原因，因而减少了生产后检验的需求及不良质量引起的费用。\n[0004] A.机器误差控制\n[0005] 现在有国家标准和“操作规范”以确定和修正数控机器的几何误差(参见ANSI/ASME B89.1.12M-1985、ANSI B89.6.2-1973、AMSE B.54-1992)。“操作规范”制定了目前认可的获取机器精度的方法，我们将简要地讨论“操作规范”。\n[0006] 1.温度控制环境\n[0007] 在一间具有空调的工厂中，机器被保持于某一恒定温度，如68°F，减小了温度变化引起的误差，但是这种方法并未完全解决温度误差问题，有三项主要缺点：\n[0008] (i)控制环境的成本高，有时超过获取该加工的成本。\n[0009] (ii)机器本身引起的热效应仍可引起机器变形，如电机在负载条件下驱动发热及转轴因摩擦发热。\n[0010] (iii)轴的机械偏斜仍然未修正，机器经受正常与非正常的磨损，其机械对准随时间变化，实质上是不可预知、不可避免且难于控制的。\n[0011] 2.机器校正\n[0012] 除机器转轴引起的误差之外，三轴机器具有21个误差参数，这些误差是每根轴线的线性度(3个)，每根轴线的平直度(6个)，每对轴线间的垂直度(3个)，以及每根轴线或轴线之间的俯仰、摇头和侧滚(9个)。机器校正时要测量这21个误差参数的一部分或全部，然后对超限的参数进行物理的或软件的调整。一旦各个误差得以确认，定量及最小化，即可用均方根法对误差组合进行求和，以得到机器总体工作允差的估计。有两个原因造成机器校正不够完备。第一，这种方法需要可观的停机时间对误差进行测量和调整。温度变化引起尺寸变化，每个工班或每个工作日都各不相同，这一事实使得测量和调整的困难变得复杂。第二，因为不断地重新调整机器，这种变化意味着最后一组设定数据并不是机器误差的单张“快照”，而是一连串快照，随着机器的变化，每张都在不同的时刻，有着不同的参数。偏差的根本原因不是固定的，而只是包含在重新调整之间，随着机床的变化，生产成了一种折衷，并且在制成的工件中发生漂移。\n[0013] 3.每根机器轴上的线性干涉仪\n[0014] 一台机器的X、Y和Z轴上各配备有一台线性干涉仪作为精确定位编码器，这种方法允许对热膨胀和收缩进行实时补偿，但是至少有三个原因使其不够完备。首先，不能将其应用到旋转轴上；第二，它不能补偿轴间的机械偏斜，第三，它对温度变化发生时的轴间相互作用不起作用。\n[0015] 4.三坐标查找表\n[0016] 这种方法在某一特定的尺寸轮廓之内精确测量机器的性能，精确的性能测量是用一台独立的高精度的测量机器来确定实测数据与指定机器位置间的差别来完成。把这些误差全部收集起来编构成一幅误差图，或可用来生成一幅误差图。一幅完整的误差图可用两种方式来使用。第一，误差图可用作查找表以便当机器在其附近时确定简单的位置修正；第二，可由误差图算出多项式方程，在整个测量轮廓上进行误差修正插值，用多项式方程调节某一位置的机器指令。查找表的不完备主要因为该查找表仅对一个机器温度有效，在其它温度下，机器会或大些或小些，或者有稍微不同的几何形状，不能保证机器等比例变化并在温度发生变化时恢复其原有的几何形状。因此，在进行了费时费力的数据采集，根据行为规律导出调整机器位置的一张经验表格或一组方程之后，偏差的根本原因将继续降低误差图的有效性。只要机器发生变化，误差图就先天地不准确。当机器继续磨损和老化，测到的与原始误差图的偏差就发生变化，结果，工件结构的误差可能增大，必须频繁地重新校正机器以连续不断地保有一张准确的正确误差图。\n[0017] 5.方法的组合\n[0018] 可用这些方法的某些组合来克服单个方法的缺点，但是其净效应仍然存在：(1)长时间停机以测量其真实位置；(2)昂贵的测试；及(3)仅有暂时的、修正的结果。偏差的根本原因仍然存在。例如将温度控制环境与机器校正相结合，可以在一定时间段内得到精确的机器，控制环境的成本与检查和调整所用的停机时间成本合起来是很昂贵的。\n[0019] 6.温度补偿\n[0020] 机器的轴上配备有温度探头，每个探头测到的温度被用来计算与其它轴不相关的所在的机器轴的理论膨胀值，用膨胀因子来补偿控制器的反馈，于是消除了机器定位能力中的膨胀和收缩。一种更新但近似的称为“实时误差修正”的技术也采用温度探头，但是试图提供一个机器结构的非线性温度效应的三维“误差模型”。误差图反映了由加热而引起的轴间相互依赖，诸如挠度或翘曲。补偿是以复杂的算法来作成，仅对测试到和测量到的偏离轮廓并且仅当机器保持可重复性时是精确的。这一误差模型是借助于收集实际的三维机器位置及在某一温度范围内相应的温度数据来建立的，它可能需要可观的停机时间，也可能很难将机器置于所需的温度状态中。当这一技术的目的是避开与温度控制有关的费用时，需要用温度控制来产生误差模型，温度补偿与温度控制遵循同样的概念：根据实际的温度测量值来修改机器的运动。\n[0021] 温度补偿法有两个主要的缺点。第一，温度补偿法需要周期性的停机时间以校正传感器和误差模型，第二，焦点集中在机器上的温度补偿不能对工件或夹紧装置的膨胀进行修正。即便有可能消除机器的全部定位误差并完美地按温度调整机器，由于温度对工件的作用，工件仍可能被做得超出允差。温度补偿试图借助于补偿温度变化造成的机器误差来间接补偿工件的膨胀，但机器误差和整体误差之间的修正只是一种不完全的解决方案。\n[0022] Merry等人在美国专利4,621,926中描述了一种控制物体非直线运动的干涉系统，该系统采用3个一维跟踪激光干涉仪，刚性地装在一个跟踪仪头部，以跟踪装在机床末端作用器上的定向反射器。因为Merry系统的激光反馈被设计成替代传统的机器控制器，它难于改装到机器既有的控制系统中。\n发明内容\n[0023] 在本发明的系统中激光跟踪仪独立于机器控制器运行，在徐徐送进程序块中为控制器提供位置反馈信息。[我们使用“徐徐送进”一词的意思是每次向机器控制器提供(下载)一点点运动控制信息(例如在单个数控程序块中)，而不是提供整个程序。]我们的工作轮廓大得多(比Merry系统大10倍)，它独特地使我们的系统适用于大型空间结构的加工和装配，例如机翼，而且我们的系统设计能在多种现存机器控制器上容易地实施。\n[0024] Merry采用三边测量来确定定向反射器的位置，在设置和校正时，机器以恒定速度沿一条独立的系统轴线作直线运动，以便系统为末端作用器建立一个基准框架并提供坐标数据，把激光干涉仪的位置测量值与末端作用器的运动联系起来。每个干涉仪都是一维(单轴)测量系统，它产生一个与干涉仪到定向反射器的距离成正比的信号。以此三个输出信号，Merry控制系统采用三边测量来计算末端作用器的位置，将此位置与根据所存储的末端作用器预定运动路径(即数控程序)的要求位置进行比较，并操纵刀具移动组件把末端作用器移动到下一个要求的位置。激光三边测量因其成本、不稳定性、设置几何形状的要求及先天偏差而尚未在工业中采用。如果将三台干涉仪布置得相距很远，三边测量法工作得最好，但是定向反射器实质上只是一个单轴目标，为了跟踪这一目标，几台干涉仪必须相互靠近，这便引起可观的插值误差或计算误差。此外，三边测量法实际上需要四台干涉仪以确定绝对的真实位置。\n[0025] Merry系统实际上用激光干涉位置测量取代了标准的机器控制器并直接控制刀具。由于越过了机器控制器，可能失去对机器的控制，如切屑挡住激光束的情形。对于高价值的工件，失去控制的风险是不能接受的，相应地，Merry系统因其具有的问题而尚未在工业上施行实际应用。\n[0026] Merry系统不能仅用这三台干涉仪来确定工件相对于机器的位置，静态光学机器控制(SOMaC)能够用单台干涉仪把机器相对于工件定位。了解这一参照条件，静态光学机器控制能在测量机器末端作用器的真实位置后向机器控制器提供增量修正指令以提高机器的精度。\n[0027] 在本发明的一个优选实施例中，静态光学机器控制能调整机器程序以适应机器或工件或两者的平移、旋转或者既平移又旋转。SOMaC借助于测量工件和机器的位置并对工件和机器的原始基准位置与朝向的变化标度来进行此项调整。SOMaC还能调整(标度)机器程序以适应因工厂温度、工件温度、机器温度的变化及工厂环境的其它物理变化引起的工件或机器或两者兼有的变化。\n[0028] 本发明的SOMaC系统提供故障安全的机器控制，因为它继续使用机床的传统编码器，但是借助于在真实位置的光学测量过程中提供“飞行中”检查反馈而增进了静态工序的真实位置精度。我们的系统在机器停机并准备好下一步加工工序时用徐徐送进指令来修正机器的定位误差。\n[0029] B.激光跟踪仪\n[0030] 实时三维光学测量系统(如激光跟踪仪)是迅速获得大量准确三维数据的现代化测量系统，这些光学测量系统一般包括一个绝对半径范围和一个操纵激光束的机动角度操纵头，操纵是由一个反馈系统来控制，它连续地驱动激光束来跟随(跟踪)定向反射器。激光束从激光跟踪仪头部指向装在机器末端作用器上的定向反射目标，返回光束使跟踪头能确定到达定向反射器的距离和方向(即水平和垂直的角度)，这三个测量值(半径、水平角度、垂直角度)建立了一个球坐标系，它可以很容易地转换成直角坐标系。\n[0031] 激光跟踪系统有下列特点：\n[0032] (1)达百万分之10(10ppm)的三坐标精度的精确三维测量(10米范围中的0.1毫米)；\n[0033] (2)实时的测量值收集和变送；\n[0034] (3)超过每秒500个三维测量值的数据率(一般高达每秒1000个测量值)；\n[0035] (4)简单的校正；\n[0036] (5)采用高质量的补偿器(折光仪)时实际上对气温和气压变化引起的误差免疫；\n及\n[0037] (6)采用定向反射目标的大测量范围，一般为直径达100英尺的部分球体。\n[0038] 绝对半径跟踪干涉仪能够重新获取被暂时挡住的目标，绝对半径跟踪干涉仪在加工工序中极为需要，因为工厂中机器、工件及操纵者的运动都会导致光束中断。我们更乐于使用绝对半径跟踪仪，但是我们在很多应用中也能采用较难容忍光束中断的干涉仪系统。\n[0039] 激光跟踪仪用于很多应用之中，如测量飞行器或汽车的数字化外形、刀具检验及数控机器的精度测试。本发明目前采用激光跟踪仪，但是可用其它的光学的或非接触式的测量系统来代替这些系统，为系统提供位置反馈。\n[0040] 在航空工业中，龙门式或立柱式铣钻床的尺寸范围可达70米长，这些机器中最大的具有超过700立方米的工作容积，这些机器要求的定位允差一般小于0.20毫米，在100立方米容积中获得0.50毫米的定位不确定度是困难的，为了使数控机器不确定度的陈述标准化，通常把机器的不确定度乘以一百万然后除以机器体积的最长对角线距离，以百万分之一(ppm)为单位陈述其能力。例如，具有0.5毫米定位能力和15米对角长度的典型机器可能得到33ppm的能力。能力优于30ppm的大容积钻床是很难得到的，由于制造商努力改进工作的质量并降低装配成本，增加了对更精确的孔的钻削需求。在航空制造中，这些更严格的允差可能在15米的对角线上小到0.10毫米，这可给出6.7ppm的标准要求。这样的允差超过了大多数机器的能力。\n[0041] 本发明涉及静态光学机器控制(SOMaC)并借助于使用绝对半径激光跟踪系统或其等价物在机器静止时测量机器的末端作用器的位置和方向来寻求克服大型机器先天的温度和机械误差源。这些测量值自动地通过SOMaC计算机，通过位置调整的徐徐送进指令报告给机器控制器，然后机器控制器按需要修正机器的位置。SOMaC采用交互作用技术控制数控机器末端作用器的精度。一种标准差控制协议消除了静止位置的“噪声”作用，这一协议将静止位置区别于机器运动或振动。我们为机器、工件或跟踪仪的摆动(采用双轴摆动传感器)并为工厂中的温度变化引入了报警器。\n[0042] SOMaC采用“接触探头”或坐标测量机器软件在系统校正时确定与工件相关的关键要素的位置，这些测量值建立了一个工件基准框架。在加工时，SOMaC根据再次测量和评定这些关键要素的位置来控制进一步的工序。因为我们建立了一个机器调节的工件基准框架，我们便消除了为建立真实基准位置对精确工件装卡的需求，工件实际位置(及其要素)是借助于测量工件要素的位置并将测到的位置与工件的数字定义或数字数据集说明(CAD模型)进行比较而建立的，采用比较法不仅是为了计算实际的工件位置，而且是为了计算一个“标度因子”用来调整机器指令以补偿实际工件与数字数据集说明之间的差别。这种“自动标度”特性实际上改变了来源于工件工程技术说明的数控程序，以适应在加工中发生的工件物理变化，如对于设计标准温度20℃(68°F)，工厂温度变化造成的工件大小变化。\n例如，我们调整工件要素位置的数字数据集定义以反映工件因其自然热膨胀系数造成的膨胀或收缩作用，对于“自动标度”我们同时确定我们计算的标度因子是否与我们按工厂温度变化所期望的大小变化相一致。我们监测工厂温度(但是也可以监测工件温度或机器温度，也可监测这三种温度的任意组合)并在温度变化时以适当的间隔重新标度(如在用户定义的报警设置点上2℃或5℃的变化)。“自动标度”是一种分批的或间隔的调整，而不是连续的重新标度，故减少了所需工艺流程。\n[0043] SOMaC最好能包括用一台独立的三维光学测量装置精确地为静止机器的末端作用器的末端位置定位，这可以应用于测量装置定位精度高于机器精度的任何机器，这对于激光跟踪仪和至少有一根轴大于15英尺的大型机器通常是真实的。借助于用独立的光学测量系统间接地通过机器控制器控制末端作用器的位置，机器构架的温度误差和偏斜误差变得无害，因为末端作用器的真实位置受到监测和调节，而无须关心误差来源。有了使用“加工规范”实践的SOMaC系统，我们得到的最大线性真实位置误差在10英尺容量中约为0.003英寸(即0.0015英寸径向位移)，其偏置误差分布比仅用机床标准控制器可得到的要紧凑得多，我们用机床控制器指导末端作用器更靠近在定义工件或组件的数字数据中规定的所需位置，然后，我们用激光跟踪仪或其它位置传感器验证末端作用器确实处在正确的位置上。如果偏离了位置，我们向机器控制器发送增量调整来调节末端作用器的位置。\n[0044] 当某些误差来源可能是非线性的，会引起SOMaC丧失精度时，我们使用最小二乘方拟合算法(或其它适当的回归分析)来使这些非线性最小化。我们的一阶(线性)修正相当健全并且在精度方面获得显著的提高。当理解了非线性和各向异性时，SOMaC能适应更加成熟的算法。\n[0045] SOMaC采用来自光学测量装置的反馈及相关软件，向一台现有的机器编码器徐徐送进位置修正以提高机器精度，这一系统迅速、廉价并可靠地提供与机器的重复性无关且与机器和工件的关系无关的位置精度。这一系统提供绝对空间方向/位置信息。我们的优化的系统包括下列特性：\n[0046] A.SOMaC在末端作用器处控制机器位置，于是消除了机器总体偏差的来源。\n[0047] B.SOMaC可以用在一台有探头能力的机器上将该机器改变成一台精密坐标测量机(CMM)。\n[0048] C.SOMaC将跟踪仪的测量值转换成工件的坐标系统，这降低了工件与机器对准校正过程的复杂性。\n[0049] D.SOMaC提供一个图形用户界面(GUI)，允许用户控制加工工序的各个方面。软件是“实时”的，“事件驱动”的系统，将文本文件翻译成配置和编程信息。\n[0050] E.SOMaC提供的图形用户界面显示：\n[0051] (i)所需的定位精度；\n[0052] (ii)与跟踪仪测量精度有关的统计参数；\n[0053] (iii)时序和位置阈值；\n[0054] (iv)操作模式；\n[0055] (v)偏置与跟踪仪/机器的对准；\n[0056] (vi)数控进给控制\n[0057] (vii)跟踪仪位置显示及采样率；\n[0058] (viii)温度监测器及摆动监测器的报警设置点；\n[0059] (ix)在线帮助。\n[0060] F.由于SOMaC软件结构的本性，它很容易适应新的机器控制器。使这个系统适应于一台新的编码器或机器控制器，所需的唯一变更是一个编码器界面软件模块。\n[0061] G.可移植性。跟踪仪和工作站在物理上是可移植的，因此一台单个系统可以用来为多台数控机器服务。\n[0062] H.光束中断的恢复。如果激光束被扰乱，SOMaC有两种恢复模式。\n[0063] (i)手动恢复：系统停止并允许操作员将定向反光镜手动返回跟踪仪，重新获得光束锁定，然后继续。\n[0064] (ii)自动恢复：系统将机器返回到一个已知位置，命令跟踪仪建立光束锁定，然后再按数控程序继续。\n[0065] I.SOMaC的结构很容易适应于新的光学测量系统、多路测量系统或者混合测量系统。\n[0066] J.SOMaC使用“徐徐送进”与控制器通讯，将数控机器与激光器和外部软件控制器集成一体，来创建一个易封装的系统，能提高机器的精度。这一方法使得SOMaC可花最小的集成努力而应用于广大数量的控制器。\n[0067] K.SOMaC产生一个机器事件的数据检查跟踪，即，SOMaC把一系列工序中向机器控制器提供的修正指令都记录下来，用这些数据便可更容易地测出机器的累进漂移或者磨损退化，甚至辨识工件数字说明中的错误。\n[0068] L.SOMaC把激光跟踪仪和机器集成到一台远离机器控制器的计算机中，因而系统能够改型成多种不同的数控控制器，而无需对控制器进行软件修改。\n[0069] 本发明与一种提高机器精度的方法有关，如果被机器控制器控制的机床真实位置与机器控制器根据来源于工件工程技术条件的机器程序指令确定的机床位置相比较，超出了预定的偏置阈值，就在机器程序(如数控程序)中向机器控制器提供增量位置修正指令来修正机器的误定位。\n[0070] 于是，一方面本发明是一种提高机器精度的方法，包括下列步骤：(a)将具有一个末端作用器的机床驱动到根据由机床所加工的工件或组件的数字定义产生的指令所指定的第一个位置；(b)当机床停止在第一个所指定位置时，精确测量末端作用器的位置；(c)将测到的位置与第一个所指定位置进行比较；(d)如果测量的位置与指定的位置之差超出了预定的阈值，则向机床发送增量修正指令来调整末端作用器的位置；(e)可选地，根据工作空间实际温度对理论设计规范的偏离，用来源于数字定义的温度效应标尺标度考虑温度效应的指定位置，并对应于温度效应标尺调整增量修正指令；(f)可选地，根据工件、组件或相关夹具的关键要素的位置变化测量值，用结构标尺标度出来源于数字定义的指定位置，并对应于结构标尺调整增量修正指令；及(g)可选地，用一个装在机器上的、被来源于工件数字定义的机器指令引导到机器指定位置的检验探头测量加工过的工件，检验包括测量一组检验要素，实行测量以验收工件并向机器提供增量校正指令来改进测量，用以提高其精度，将探头的真实位置与机器指定位置相比较而得出增量修正指令。\n[0071] 本发明还与一种用于在检验仪器中测量产品的要素进行验收的方法有关，包括下列步骤：(a)在一台机器的转轴上确定测量探头的位置；(b)用探头按照由产品数字定义规定的预期产品结构导出的检验顺序测量产品上所选的检验要素作为一组检验测量值；及(c)按照检验仪器中的实际产品结构因工厂条件的变化而引起的变化测量值标度数字定义规定的预期产品结构以调整要素的相对大小与位置。一般地，这种验收是在将产品从制造夹具和与做这种产品有关的制造机器上取下之前完成的。这种产品验收方法允许制造商使用一台机床作产品检验。而不必用一台精密的坐标测量机。这种“检验”允许更多地使用机床并借助于使机床多功能而用作检验装置从而减少整体的加工资金费用。\n[0072] 本发明也关系到计算机软件存储程序，它将计算机可读信息记录下来，根据实测的机床末端作用器的真实位置或用来源于工件数据集说明(即数字定义)的定位数据所指定位置上的探头位置与机器控制器遵照实施定位数据的机器程序要把末端作用器移到的位置相比较，向机器控制器提供重新定位指令。\n[0073] 本发明也关系到具有改进的定位精度的机床系统，包括：(a)一台包括一个末端作用器的机床，适应于执行工件的加工工序；(b)一个与机床连接在一起的机器控制器，以通过来源于工件的工程图或数字数据集说明的位置控制程序来指示机床向指定位置运动；\n(c)至少定位一台激光跟踪仪，用于测量末端作用器的真实位置；(d)一个计算系统，用于将末端作用器的实测位置与指定位置相比较，并用于向机器控制器提供徐徐送进调整信号以抵消指定位置与实测位置间的任何差别；以及(e)可选，由于时间改变那些影响工件大小或方向的工厂条件，对来源于工件数字数据集说明的指定位置调整的装置。\n[0074] 本发明还关系到一种修改表征工件结构的机器程序空间特征的方法以补偿工件或制造工作单元的设计温度与实际温度之间的温度差别，包括下列步骤：(a)创建一个在基准温度下的预期工件结构的计算机可读的数据集说明；(b)按照预定间隔的温度变化，在足够多的位置点测量制造生产单元中的工件以确定由工厂条件引起的工件大小和方向的相对变化；以及(c)按再测量值和基准测量值的比率调整数据集说明。\n[0075] 最后，本发明关系到一种修改说明工件结构的机器程序空间规定的方法以补偿工件在工厂内制造期间发生的变化，包括下列步骤：(a)在足够多的位置点测量工件以识别在第一个数字说明中的实际结构；(b)测量工件以产生工件的第二个数字说明；(c)将第二个数字说明与第一个数字说明相比较，以确定一个标度因子；以及(d)按照这一标度因子调整机器程序。\n附图说明\n[0076] 在考虑本发明的附图和详细描述后，可更好地理解本发明的这些特点和其它特点。\n[0077] 图1是一幅SOMaC概念的轴测示意图，有两个自成系统的激光跟踪仪位于一台立柱式铣床工作空间的极端位置以改善装在一台本应是传统立柱式铣床上的钻具的精度。\n[0078] 图2是一幅SOMaC机器修正过程的框图。\n[0079] 图3是一幅SOMaC计算结构硬件的框图。\n[0080] 图4是一幅描述SOMaC接口的框图，接口在IBM RS6000控制器上运行以使传统的机床能获得真实位置精度以产生具有数字工件设计(即三维实体模型)中预定精度的工件。\n[0081] 图5是一幅描述机器响应机器位置调整的运动示意图，SOMaC通过一个误差修正向量提供此位置以在机器将自身定位于一个指定位置后把一个孔更精确地定位于一个名义孔位上。\n[0082] 图6描述了建立一台机器和一个工件之间空间基准的过程。\n[0083] 图7描述了建立起图6的空间基准之后，考虑机器、工件或两者兼有的运动，调整机器程序的转换过程。\n[0084] 图8描述了一台适用于实时定向的机床，它使用绝对半径激光干涉仪和SOMaC来控制钻削和工件夹具上的夹具球基准。\n[0085] 图9是一幅典型的直方图，表示工件上孔的位置。\n[0086] 图10表示了一台在不同控制区域使用多台跟踪仪，以在很大的工作空间内控制一台龙门铣床精度的机器。\n具体实施方式\n[0087] 在提供了SOMaC的一般概况后，我们将描述SOMaC的硬件结构，然后我们再描述计算机的软件结构。通过这些描述，我们将讨论用于一台数控机器的SOMaC实施，但是这些原则也可用于机器人、自动化的工具、机器、设备、及其他受自动或手动控制而移动的物体。\n[0088] 改进一台机器自动化的工具或机器人的精度以使工件制造得更接近于工程要求，涉及到用一种独立的、更高精度的位置测量系统增强机器控制以修正由机器或工厂引起的误差。SOMaC在机器程序中向机器控制器提供增量修正指令以把机器的末端作用器移得更靠近预期的机器位置。当机器在加工前停止时，独立的测量系统确定设备末端作用器的真实位置。SOMaC然后调整机器的误置，因为SOMaC知道零件或工件对于机器的关系(即方向)并在一个公共基准框架中测量工件和机器。为实现其改善加工过程的Cp和减少机器漂移率的增强功能，SOMaC必须具有来源于工件数字定义的机器程序，必须校正机器和工件以了解他们的相对位置，必须校正安装在机器上的定向反射器(目标)使刀具尖端到达精确位置，然后还必须在增加增量修正指令时执行增强的机器程序以实现加工工序。\n[0089] 机器程序的准备涉及到为在一系列加工工序中移动机器以生产用工件的数字定义(计算机辅助设计模型)的物理特征指定的工件而推导指令。导出的路径和节点称为“机器程序”，这是机器控制器能解释的一组软件指令。用于产品验收的机器程序也必须从工件的工程技术条件中导出。为产品验收，一个检测探头将识别并测量工件的关键要素，以保证工件事实上确与工程技术条件相符合。\n[0090] 建立工件和机器的方向，也被我们称作“系统校正”，将在此段详细描述的结尾处极其详细地描述。校正将在独立的高精度测量系统和机器与工件之间设置基准框架，该测量系统通常是一台激光跟踪仪。为了校正，跟踪仪必须在机器的工作容积内至少测量三个预定的位置。\n[0091] 校正定向反射器一般涉及到用机器的接触探头测量工件的关键要素，同时跟踪仪也测量该系统。实际上，在这一步骤中坐标是同步的，因为机器和跟踪仪都同意：每个关键要素的位置都处在机器程序所规定的坐标上。在这一步骤中，SOMaC还确定初始基准标尺，与自动标度或实时定向一起，为工件制造期间工厂条件引起的工件、机器或者这两者的变化而调整机器程序。\n[0092] 当机器在机器的每次停止中(或者在其它操作者定义的间隔中)执行机器程序时，SOMaC就测量末端作用器的真实位置并计算改善精度必需的增量修正指令，包括标度调整。\n[0093] SOMaC改善机器特别是大型数控机器的精度。SOMaC借助于改善精度生产出偏差表现较小的工件。工件更接近于工程技术条件，而且显著地减少了由机器磨损或误差积累引起的精度自然漂移。具有较小偏差的工件更容易装配，它们装成更接近于工程技术条件的组件。SOMaC具有取消对机器精度证书和加工后检验的需求的潜力，它允许制造厂商对其机器升级以增加其先天的精度并使制造厂商的机器更具万能性，从而显著地减少了制造厂商的工具成本。一方面，SOMaC可代替坐标测量机(CMM)用于产品验收(检验)，它使制造厂商能将资金、设备和维修(生命周期)成本减至最小，这对当今精良和敏捷制造业控制产品成本是关键的目标。SOMaC降低了工件和装配成本，减少了整个制造周期时间，提高了工件和组件的质量，使得它们更接近于工程技术条件，而且还因产品性能的提高，至少在航空产品方面改善了用户的满意程度。性能的改善随单元成本的降低而来。\n[0094] 1.SOMaC硬件结构\n[0095] 优化的SOMaC系统的5个硬件元素(图3)是：(1)机器，(2)机器控制器，(3)独立测量系统(如激光跟踪仪)，(4)独立测量系统的控制器，及(5)工作站。机器及其控制器负责机器控制的多个方面，包括工件程序控制、操作员界面、伺服控制、功率分配及控制、编码器信号调理、以及与外部装置的通讯。现有很多机器控制器，但工业标准化极低。当试图向一台安装好的机器的大型基体上集成或移植诸如SOMaC之类的能力时，控制器的差异显示出严重的问题。我们用以解决这种问题的方法将在说明书的较后部分涉及，其解决方法对于能力的实际实现是重要的，因为象波音公司这样的制造厂商，由于能把这一系统尽最大量与它现有的机床一起应用而获得了最大效益。\n[0096] 我们倾向于使用运行AIX操作系统的IBM RS6000工作站，但是也可能使用其他具有类似能力的系统。工作站为激光跟踪仪控制器和机器控制器之间提供了联系，工作站控制工件程序、请求来自激光跟踪仪的测量值，并为机器提供增量修正指令以将其末端作用器(或检验探头)移动得更接近于预期(设计)的位置。SOMaC取消了从数控控制器向工作站的程序控制，工作站徐徐地向控制器送进误差修正矢量的程序指令以定义增量修正指令。激光跟踪系统控制器目前是一台IBM兼容微机，在DOS操作系统下工作，但是可以换成任何相当的处理器或操作系统，进一步的实施可能要把激光跟踪仪控制器合并到工作站之中。\n[0097] 图5描述了这种机器精度改善，机器100根据来源于工件120的数字定义的机器程序指令携带一个钻头110到位置#1。在位置#1，如果机器要在工件上钻一个孔，则孔130可能会从名义孔位置140偏离，有了SOMaC，跟踪仪150用机器100上的反射目标160和工件120上的夹具球170确定钻头110的位置。SOMaC向机器100徐徐为误差修正矢量180送进指令，同一个阈值迭代反馈环把钻头110移近名义孔位置140。\n[0098] 每个硬件部件之间采用RS-232或以太网的串行通讯。串行通讯通常用在机器控制器和其它装置之间，特别适合于SOMaC，因为三台计算系统之间的通讯不需要确定的时序，也不需要极高的数据速率。跟踪仪系统和工作站之间的单个串口连接是双向半双工的，工作站和控制器之间的串行连接在机器控制器中各不相同，将来的实施可能包括其它的通讯方案。\n[0099] 我们将阈值变量定义为指定的机器位置和测量的机器位置之间的尺寸允差，我们还定义了一个迭代变量以确定在确认一个空间位置或发出一个警报之前允许的“移动-检查-移动”循环的最大次数，机器按程序的指令将末端作用器置于一个初始位置，跟踪仪测量末端作用器的位置与/或方向。机器指定的位置和跟踪仪测量的位置被进行比较，并作出是否要根据阈值移动机器的决定，如果差别大于预定的阈值，则机器必须重新定位。机器重新定位之后，系统必须再次测量机器的位置。这一是否重新测量的决定是根据迭代值作的，例如，如果迭代值是零，跟踪仪将决不再证实机器已经被正确地重新定位。实际上，迭代值并非设置成零，如果需要一次迭代，则跟踪仪再测量机器的位置/方向。系统比较所测位置、发送增量修正指令并连续执行直到迭代计数器超出或者直到机器指定位置和跟踪仪测量的位置的比较值小于预置的阈值。\n[0100] 如果在达到阈值之前迭代计数器超出，就向操作员表现一个错误信息，操作员作出如何继续的决定。为阈值和迭代所选的值优化了工序的效率，当选择阈值和迭代时重要的考虑因素是(1)机器的可重复性，(2)跟踪系统的可重复性，(3)机器的分辨率，(4)要钻削的项目的工程允差，以及(5)每个孔所允许的修正时间。\n[0101] 除阈值和迭代之外，工作站软件最好也包括下列可由用户定义的参数：\n[0102] (i)最大递增补偿。这一参数是对任何单台机器的位置所允许的最大机器修正，一旦超出，系统就产生一个警告。\n[0103] (ii)最大总体补偿。这一参数是对某一特定工件的最大总体机器修正，如果超出，系统便产生一个警告。\n[0104] (iii)标准偏差。这一参数是在对象测量值被认为可靠之前，多样本机器测量值的允许偏差。\n[0105] (iv)最大允许温度变化。如果超出，系统将不继续加工工件，而是把自己向工件重新定向，以确定是否发生了任何膨胀/收缩或者工件运动。\n[0106] (v)最低/最高温度。如果超出指定的最低或最高温度限，系统将停止工序。\n[0107] (vi)差动倾角的最大变化。系统包括差动倾角仪，任何数量的差动倾角仪可以以任何方向安放在系统的任何部件上(机器/工件/跟踪仪)，当任意两个倾角仪的关系变化超过用户定义的量，系统就自动对工件给自己重新定向，以补偿任何工件/跟踪仪/机器发生的运动。\n[0108] 一般来说，这些参数是根据机器的最坏情况的精度记录和按最接近于工程技术条件的合理的一致性(允差)生产一个工件或组件的必要性而设置的。当连续工序有产生不符合条件的、不能验收的工件的危险时，必须触发警报以便在返工和报废的结果产生之前作出调整。\n[0109] 图1表示一台立柱式铣床，带有长度约达200英尺的工作台，台上横向运动的极端位置布置有2台莱卡SMART310e或相当型号的激光干涉仪20。但是SOMaC很容易适应于其它的传统机床，包括高架龙门式多轴机器、波音公司的自动翼梁装配工具机(ASAT)、GEMCOR铆接机、波音公司的多任务龙门铆接系统(MTGRS)、及类似设备。SMART310型激光跟踪仪有大约100英尺的测量半径，因此移动的横向距离决定了何时需要多个跟踪仪来覆盖工作空间。SOMaC能同时适应多个跟踪仪对位置数据的若干通道使用数据结合算法及协议，包括主从结构、表决器、加权束协议等，或者，它可以在顺序的工作区里在跟踪仪之间切换。图10表示了一种多个跟踪仪的布置法，一台龙门铣50在一个工件60的上方大约200英尺长乘以50英尺宽的区域内移动，4个跟踪仪70定位于围绕工作区域选定的位置上以便在覆盖区\n80、82、84和86内为工件60提供完全的测量覆盖，这些覆盖区在某些地点互相重叠。在某些重叠容积内，将由2台跟踪仪提供测量数据，同时在几个容积92内将由3台跟踪仪进行测量，但是工作空间的极限端将落入仅有单台跟踪仪的覆盖区。在顺序跟踪仪系统的重叠区内，只要是范围内有不止一台跟踪仪向SOMaC处理器提供测量数据，我们就更乐于使用加权束控制协议。从多个跟踪仪来的测量数据对计算变换的方程系统过分定义，额外的数据或是冗余的，或可改善精度。权重部分地反映了归于该跟踪仪数据精度的置信度并由几何结构和经验来确定。\n[0110] 一台跟踪干涉仪能提供3轴定位测量与控制，要获得4轴或5轴控制则要求在同一空间中有多台跟踪仪工作。借助于多台跟踪仪，我们使用合并算法将测量置信度最大化，因此将误差减至最小。带有绝对半径能力的更新式的跟踪仪使我们能用一台跟踪仪控制机器所有的轴。\n[0111] 作为一项标准特性，跟踪仪一般包括一个屈光度计对工厂空气屈光指数变化作波长补偿，否则半径精度可以被工厂里温度、压力或湿度的变化显著地影响，为了SOMaC所追求的精度改善，这样的半径修正对于获得所需结果是重要的。有了屈光指数调节，激光跟踪仪能够在很大空间内实时地获得百万分之几的出色测量精度。有了这样的精度，半径测量可以提供足够精确的真实位置反馈来改善机器的末端位置控制。\n[0112] II.SOMaC软件结构\n[0113] SOMaC软件有两个主要的部分：工作站软件和跟踪仪软件。自动标度和实时定向是我们通常包括的工作站软件成分。\n[0114] A.工作站软件\n[0115] 称为“SOMaC”的工作站软件模块(图4)的首要目的是在跟踪仪、操作员和机器之间提供一种联系。SOMaC有若干个逻辑块或过程，各自通过一种过程间通讯(IPC)技术进行通讯。系统中机器特有的部分被分隔成不同的过程，便于将来的“即插即用”能力(例如，加入一个新的机器族)。\n[0116] SOMaC软件是“即插即用”的，与Valisys软件产品家族(可从Technomatix技术公司获得)兼容，因此能够经由现有的Valisys机床接口(MTI)与种类繁多的数控铣床和数控坐标测量机(CMM)通讯。尽管可用任何适当的编程语言，SOMaC使用一种翻译型C语言或类似物来驱动其工序，所翻译的信息存储在人员可读的文本文件中。SOMaC为SOMaC过程提供主要的图形用户界面(GUI)并与其它的机床接口通讯，将自身与机器特有的部分隔离开来并增加其通用性。\n[0117] SOMaC机床接口为SOMaC过程提供主要的人员界面，并直接与其它的机床接口通讯。当这一模块不直接与跟踪装置或数控机器通讯时，它与那些和跟踪装置通讯的机床接口通讯。下列功能被优化地集成到SOMaC模块之中：\n[0118] 1.用户界面\n[0119] 用户界面依照Motif用户界面标准，是面向视窗的。\n[0120] 2.系统配置管理\n[0121] 用户可以规定、存储及修改系统的配置，系统配置的元素包括：要使用的跟踪装置的数量及型号；精度阈值，迭代限；要控制的机器轴组合；显示精度；及履历文件的格式。\n[0122] 3.轴变换\n[0123] 跟踪系统的坐标基准框架可以用“三点拟合法”或者“最小二乘方拟合法”与机器的基准框架对准，三点拟合法仅用跟踪仪上和机器上三个相同的点来计算从跟踪仪基准框架到机器基准框架的变换矩阵，最小二乘方拟合法使用三个以上的共同点进行变换。但是这两种方法都达到把跟踪仪测量值转换成机器坐标中有意义的坐标值的目标。一旦进行了这种变换，SOMaC自动地提供一个人员可读的、实时的机器实际(激光)位置的显示值，可以由机器操作员阅读并直接与独立的机器位置显示值比较。这种变换无须精确，因为工件上关键要素的未来测量值会定义跟踪仪和工件的关系。\n[0124] 4.错误恢复\n[0125] 在钻孔或检验过程中，激光跟踪仪系统可能会从视野中丢失机器末端作用器上的一个或多个目标，且不能重建联系，如果末端作用器的定向反射器(目标)转动超过了可用范围、介入的结构挡住了跟踪仪和定向反射器(目标)、或者不良修理/维护挡住了它们，则跟踪“锁定”可能被破坏。SOMaC模块提供了三种从失去光束错误中恢复的技术：手动法、“前瞻”法和“后顾”法。\n[0126] 手动方法允许操作员停止过程，并人工地将目标回位到跟踪仪以重新建立联系，操作员将目标置于一个跟踪仪测量的已知(初始)位置，然后，在跟踪仪跟踪目标的同时，操作员将目标移到实际的位置上，这样，跟踪仪就能参考初始位置而知道实际的位置。\n[0127] “前瞻”法引起跟踪装置指向下一个需要测量的位置，并等待目标进入视野，一旦进入视野，SOMaC会命令跟踪仪收集准确的测量值。前瞻法只能用于具有绝对半径能力的跟踪系统，带有激光干涉仪的跟踪系统测量半径的相对变化，因而必须有一个具有足够精度的已知坐标的起始标志位置，带有激光雷达半径系统的跟踪系统测量由跟踪仪到目标的绝对半径，且不需要一个精确的标志，因此这些系统可以给以“前瞻到目标的下一测量位置”的指令。\n[0128] “后顾”法引起机器沿着通向错误发生前的最近一个测量点的路径退回，跟踪仪则被命令返回到这一坐标并能恢复跟踪，假定指向目标的半径与它上次被测到的半径相同。\n如果机器的可重复性超出可接收的允差极限，由于它依赖于机器来建立“真实”位置，“后顾”法易于产生尺寸误差。因而，每次使用“后顾”法都引入一个相应于机器可重复性空间误差的绝对位置误差。如果失去光束的次数为任何显著的数目，就会随“后顾”法发生漂移。\n[0129] 5.数控程序控制\n[0130] SOMaC模块处在机器控制器运动指令中“徐徐送进”程序段的控制之下，SOMaC模块允许操作员、程序员或后处理员在运动程序中插入用户定义的关键字，指示在何时发生了跟踪仪对位置的检验(如果适宜，还包括对机器的调整)，变通的做法，现存的字符串可以用作关键字。SOMaC只是在它遇到一个关键字时才用激光跟踪仪数据准确地更新机器的位置。下面的例子使用“Measure SOMaC”作为关键字：\n[0131] ……\n[0132] N101X50.000Y100.000Z5.000A90.00C0.00\n[0133] N102(MSG，Measure SOMaC)\n[0134] N103G1Z2.4\n[0135] N104X51.000Y101.000Z5.020A90.00C0.00\n[0136] N105(MSG，Measure SOMaC)\n[0137] N106G92X50.000Y100.000Z5.000\n[0138] ……\n[0139] 在遇到“Measure SOMaC”关键字时，SOMaC系统将提示跟踪干涉仪(或其它的独立测量系统)测量机器当前的位置。当该测量的迭代过程完成时，机器就准确地重新定了位，因此运动程序指定的位置和真实的空间位置符合一致，然后，关键字后面的一段程序得到执行。在我们的例程中，在程序段N106，钻了一个孔(Z5.000)，运动程序在监视器上向操作员显示，因为运动指令是“徐徐送进”机器控制器的，因此操作员可以确认工件编程的工序。\n[0140] B.跟踪仪系统软件\n[0141] 跟踪仪系统软件(图4中的Bo跟踪)是一个用C写的DOS应用程序，驻留在激光测量系统控制器中，这一软件接受来自跟踪仪接口的指令，进行测量，并向跟踪仪接口报告测得的坐标值。此外，如前所述，该软件与一个用于激光波长补偿的屈光计通讯，为了在每次半径测量前更新屈光指数，该软件向屈光计要求当前的屈光指数，所述软件比较屈光指数的当前值与前次值，如果数值差别大于预定的量，如百万分之0.5，则软件将存储的屈光指数值改变成当前的值并用当前值来计算距离。这样，在进行半径测量和在跟踪仪处理器中计算半径时总是使用最准确的环境条件。\n[0142] 该软件把SOMaC工作站软件与任何特殊类型的测量硬件或软件分隔开来，这种适应性提高了SOMaC在工厂中的效用，因为SOMaC能以最小的软件开发投入与它遇到的任何硬件组合一起应用。\n[0143] 该软件以两种方式运行：自动式的和诊断式的。自动方式用于SOMaC运转的情况，在自动方式下，软件自动地响应从SOMaC模块送来的指令。在诊断方式下，操作者使用菜单结构中的指令完成各种任务。\n[0144] C.自动标度\n[0145] 下面，我们将讨论数据程序的自动空间调整以修正生产环境下的温度影响。我们一般称此特性为“自动标度”。\n[0146] 数字控制(NC)机床通过称为数控程序或机器控制数据的人员可读的机器语言接受定位指令。数控程序是从工件的一幅工程图或一个计算机辅助设计(CAD)模型(例如一个数字数据集)产生的(或者借助于手工，或者在计算机的帮助下)。工程图或CAD模型表达了实际工件所需的结构，但是实际的工件通常作为环境温度的函数产生大小变化，材料具有热膨胀系数(CTE)，它确定了对于温度的某一变化，材料会膨胀或收缩多少。认识到这一问题，大部分工程图和CAD模型都把设计尺寸与一个特定的基准温度联系起来，在国际上公认为20℃(或68°F)。工件材料在加工时决不会正好是20℃，所以，在制作实际反映了在工程图或CAD模型中建立的设计意图的工件时可能存在问题。如果一个工件在温度高于20℃(即使只高几度)时被加工，则当冷却到20℃的基准温度时，得到的工件可能在尺寸上与名义尺寸不同。取决于材料、允差和温度，加工的工件在加工时可能在允差之内，但是当与基准温度平衡时超则出允差，更为糟糕的是，每种材料具有不同的热膨胀系数，而且一个飞行器组件可能包括很大数量和很多种类的材料，而且当铣床随着温度的变化膨胀或收缩时其形状也发生变化。\n[0147] 修正由温度变化引起的尺寸和形状变化的传统方法包括控制工厂的温度或者监测工厂的温度并对应于温度测量值对机器编码器实行经验性调整。如我们将要解释的，这些解决办法即使结合起来也不能获得精确的加工。\n[0148] 温度对工件及其后续组件的精确制造的影响是相当昂贵的，在不同工厂里和不同温度下制造的部件也许不能恰当地组装到一起，引起返工、报废或者延误工期，特别是对那些依赖于坐标性要素(特别是孔)的精确位置而准确装配成更准确地反映了工程的设计而不是组件加工夹具的形状的产品的组件有严重影响。美国专利5,033,014极其详细地讨论了这一设计对夹具的难题。航空是这样一个领域，在那里，实际建成的组件对预期设计的变化或偏离即使很小，也会对产品的性能有显著影响，因此有显著的需求要调整加工以适应工厂和工件的温度变化，这种解决办法还必须是迭代式的，以允许在可能延续数小时或数天的整个加工工序中进行标度。\n[0149] 工件和机器的倾斜(倾摆)是一项重要的考虑，因为引起膨胀和收缩的温度变化可能导致机器、工件或跟踪仪的倾摆。我们在每个上述物体上放置了倾角仪以便在它们之间的空间关系发生了变化时提供一个警报信号，如果一个倾摆警告的情况出现，操作员必须重新对工件校正跟踪仪。\n[0150] 自动标度是一种温度补偿技术，可用于工业光学检验系统，如摄影测绘仪、光学经纬仪和激光跟踪仪。自动标度测量实际工件基准点或要素的位置，确定这个工件实际上对于设计基准状态膨胀(或收缩)了多少，然后向后续的位置工序应用一个尺寸变化补偿因子(标尺)。自动标度技术不依赖于工件温度的测量值，但是却依赖于实际工件的大小，自动标度因子是工件的“实际”大小与基准大小的比率(用十进制小数表示)，标尺因子是根据实测实际工件几何形状与基准几何形状的比较对实际工件的“最佳拟合”，根据大量的因子值，实际工件表现出非线性变化。我们比照独立的温度测量值和工件膨胀模型来检查我们的标度因子以便使差别最小并检测意外的行为。我们在自动标度的同时进行工件位置的计算。\n[0151] 自动标度根据工件基准点或要素的移动评价工件体积的变化，以此在三维空间起作用，当三个夹具球足够建立三维坐标系统时，我们更乐于使用大量的夹具球来获得工作空间上更为细致的变化等级，我们可以使用任意三个球来建立一个基准平面并可以把工件分成区域或可以用中间球来证实工件的弯曲、膨胀或扭转。我们用和放在工件或刀具上进行经纬仪质量检验同样的夹具球实施自动标度，用我们设计的软件把自动标度与温度变化联系到一起，也就是说，我们根据工厂温度足够大的变化(阈值)的方差测量夹具球，例如每当温度变化了2°F时，我们就可能重新标度。实时定向没有和用于测量及再标度的温度变化触发装置相联系，而是系统利用实时定向，每次加工工序之前借助于测量夹具球而连续地重新标度。\n[0152] 例如，如果工件上两孔之间的距离在设计基准温度下是100英寸，而在温热工件上测得的实际距离是100.10英寸，则自动标度因子将是100.1/100.0＝1.001000，如果要在工件上再钻两个相距200英寸的孔，我们向所要求的200英寸距离应用标度因子，实际上钻两个相距200.2英寸的孔，当工件回到基准温度时这两个孔将如所要求的正好相距200英寸。\n[0153] 当所讨论工件必须在相对较长的时间段内，在各种不同的阶段制造，可能经历很多不同的温度状态，自动标度和实时定向就很有用。实际上自动标度的主要作用在于工件可以在各种温度状态下进行处理，而处理完成时能最好地符合工程设计的尺寸。\n[0154] 自动标度依赖于所感兴趣的工件上一系列要素的一套预先建立的坐标值，这批数据称为基准文件，可由任何对此应用具有足够精度的检验系统来产生，基准文件中的坐标值表示了要素的位置(通常在工件基准系统中)，一般在20℃。坐标值是借助于平衡在设计基准温度时检验工件或借助于标度检验数据而确定的，这一基准文件成了与工件相关联的特有数据集并可用来自动标度过程的后续步骤。\n[0155] 自动标度：\n[0156] (1)为工件(即将出厂的硬件、工具、量具、工装夹具等)创建一个基准CAD文件；\n[0157] (2)将工件安装在机器台上；\n[0158] (3)测量基准点(使用机器接触探头或独立检验系统)；\n[0159] (4)计算标度因子；\n[0160] (5)将标度因子应用于机器控制程序；\n[0161] (6)为在调整了的坐标上加工而整备机器；及\n[0162] (7)用复位的标尺连续加工工件，直到温度变化值得考虑重新标度，或者连续地重新标度，(用于实时定向的实施)。\n[0163] 自动标度要测量工厂环境温度或工件温度，或者两者都测，触发重新标度的步长是选择在此间隔上的温度变化将在机器精度方面产生可识别的变化，一般为2至5°F(1至\n2.5℃)。一般不需要连续标度，选择合理的重新标度步长可减少计算机处理。\n[0164] D.实时定向\n[0165] 温度只是应考虑的因素之一。工件要素的准确置位需要准确的机器，大型机器尤其是钻床因为温度变化、基础移动、机器定位精度(直线度、垂直度、线性定位等)、或者磨损而先天地不准确，当然，最令人沮丧的难题是难于控制、不可预测和难于再现的环境条件，例如与海洋潮汐相关的地基移动。这些影响经常是非线性的或是混沌的，它们能改变在制造过程中机器和工件的空间关系，产生不精确情况。\n[0166] 把机器和刀具做得厚重以使它们能经受来源于自然和外部的力的扭转和弯曲是通用的且昂贵的做法，对于大部分精密加工，要求频繁地校正和再校正而增加了成本，校正所需要的时间可能比改变工件与机器空间关系的现象(潮汐、温度等)的周期性还长，如果校正比变化的周期还慢，则校正调整将很难达到可接受的确定度。\n[0167] 在我们的优化的实例中，我们用绝对半径跟踪干涉仪实现实时定向(RTO)。这些装置能精确测量到一个光学目标的距离，并能通过转动控制被指定去从一系列目标中收集数据，距离和角度测量值的结合被转换成每个目标位置的三维空间位置，首先在工件容积中创建基准位置或关键要素以准确构成大型工件，这些关键要素由操作员“检验”以便与要素相关联并耦合在机器坐标系统中而将工件准确置位。关键要素经常是“夹具球”或装在转轴上的球体，它们在工件上有准确的位置。\n[0168] 实时定向过程：\n[0169] (1)当用跟踪仪监测定位时，借助于沿着一条预定的路径运动机器而确定跟踪仪和机器之间的关系(名义的)；\n[0170] (2)创建一个为工件上安装的一套(至少3个)光学目标定义一系列三维位置值的基准程序；\n[0171] (3)在每个钻削工序之间用跟踪仪测量每个目标的位置；\n[0172] (4)计算基准目标的名义位置和当前位置之间的数学转换；\n[0173] (5)对机器程序施行转换；并\n[0174] (6)将已转换的程序发送给机器。\n[0175] 在本例中，测量值允许机器在预期的位置上钻孔而无须顾及工件、机器或两者的平移或转动。图6和图7解释了这一过程。在图6中，实时定向在机器和工件之间建立了共同的基准点，当机器和工件都移到了一个如图7所示的偏离位置，实时定向测量值就为机器程序产生一种变换(即一个误差修正向量)，使机器仍然能在预定(名义)的位置钻孔。也就是说，实时定向不顾及机器、工件或两者都会移动，不顾及机器、工件或两者都会变大或缩小，都许可精确加工。实时定向能用这种健全的解决办法适应实际制造中的“必要的灾祸”(至少用于有5轴能力的机器)。\n[0176] 我们的技术依赖于一套为感兴趣的工件上一系列光学目标预先建立的坐标值，软件提供一种定义、预测量、然后向目标定向的方法，当机械的、温度的或其它的影响造成目标改变位置时，跟踪这一套目标的最佳拟合位置。伴随着实测的工件位置和方向的变化，在工件上钻孔时发送给机器控制器的数据程序得到迅速修改。在钻孔工序之间，工件的位置受到监测，用标度因子将下一道钻孔工序适当地移位和标度，相对于前一个孔及工程设计把孔置于正确的位置上。\n[0177] 对于实时定向，基准要素的实际位置在每个加工工序之间是用绝对半径激光测距仪连续地或增量式地监测的，计算机计算发生于设计(名义)基准位置和实际测得的位置之间的坐标变换，并应用适当的标度因子调整数控程序。\n[0178] 下面的简单例子及图6-8描述了实时定向过程。至少有3个光学目标800装在工件810上，至少有3个装在机器或机器人830的末端作用器820上，它们在工件上彼此隔开一定距离以表现其物理特性。在工件上使用很多目标可以在有决定性关系的区域提供提高灵敏度或细节，工件的初始位置由确定其目标的位置来测量，对每个钻头的位置一台或多台跟踪仪840测量机器和工件上目标的位置而SOMaC计算适当的标度因子和位置调整。一条增量校正指令调整机器程序以把刀具移到下一道工序的实际位置上。如果机器是5轴(6个自由度)机床，则机器与工件关系的改变并不重要。这就是说，如果这些变化(如那些与潮汐或温度变化相关的变化)相对于加工工序来说是缓慢的，则5轴钻床或机器人的钻头尖端的平移与转动的误差能得到完全补偿。要在6个自由度内既跟踪工件又跟踪机器，最少需要3个光学目标800装在机器830和工件810上，根据工件和机器的最近实测位置或从工程设计基准来进行调整。\n[0179] 当我们在测量中留出时间以抵消温度噪声时，为实时定向测量工件和机器的位置需要大约达10秒的时间来测量6个光学目标。操作员应当以何种频繁程度进行半径测量所依赖的因素包括机器的刚度、工厂内温度波动和变化的速率、机器相对于工件的倾斜、以及加工工序之间的时间间隔等。系统可以很容易地适应温度、倾摆、时间或其它适当的警告，按规定的时间间隔强制进行重新校正(半径测量值)。数据程序的指令也可以在加工中预定的点上触发半径测量，如前所述，这对坐标性要素的精确置位尤其重要。\n[0180] 在根据加工进行描述时，自动标度和实时定向过程还可应用于检验。SOMaC系统可以用于精确地加工工件，也可以用于检验加工过的工件。检验也许是和加工控制同样重要的功能，因为它能减少有关购置和维护专用的检验仪器尤其是坐标测量机(CMM)的成本、有关把工件转送到坐标测量机上的成本、以及有关在工件和坐标测量机之间建立一个已知的空间关系以允许最终的工件检验的成本。借助于检验机器上的工件，有可能发现，工件从其机夹具上卸下后出现的工件结构变化的根本原因实际上是源于错误的设计或运输事故，而不是不精确的加工。对于检验，一个检验探头代替了机器转轴上的刀具，在整个预定的检验过程中，机器按照预定的数字定义移动探头，在将发生要素检验的每个位置，SOMaC软件让跟踪仪为机器的失准和环境的误差进行适当的调整。\n[0181] 本发明的技术可补偿真实世界中的外部事件而不是试图控制或消除这些事件的自然发生，它们生产空前准确和精密的工件，并且比甚至用最高手艺的工匠在最受控制的环境里工作所能获得的要快得多。这些过程使得简单的、低成本的机器能生产精确的工件并为航天工业中的精良及敏捷制造铺平道路。通用机器可以用来制造各种各样的超常精度和准确性的工件，因而极大地降低了资金费用和工厂规模。\n[0182] III.系统校正\n[0183] 起初，跟踪仪和机器是借助于运行一个对准程序对准的，该程序指导机器按照预定的途径通过一个有代表性的空间，同时跟踪仪进行“跟踪”(即记录运动)，然后计算跟踪仪坐标系统和机器坐标系统之间的关系以提供粗略的对准，该关系为“粗略”是因为工件相对于机器的位置是不准确的，而且机器的运动包括了先天的机器对理想状态的偏差。\n[0184] 一个探头通常使用如Valisys的检验软件借助于接触测量工件上的关键要素，如图6所示。我们计算跟踪仪的实测数据和设计成工件的数据定义并翻译成数控程序的基准系统之间的变换，这一变换是根据用接触探头(它是根据粗略对准过程中的激光反馈来修正的)对关键要素的测量而定，根据关键要素信息，在跟踪仪基准框架中工件位置现在完全已知，软件重新辨识数控程序的方向以符合工件被置成的位置，不需要为工件重新对准。当然实际工件的位置和来源于设计数据的基准位置必须与所需的工件位置足够接近以使检验探头能在近似准确的位置上接近工件。检验探头必须在实际上识别所预期的要素，软件允许操作员用一个简单的单点检验工序(示教点)“示教”给系统工件在什么地方，然后用关键要素的检验改善工件的位置使一切都锁定到位。跟踪仪还能测量关键要素的位置(装在工件上的反射目标)使得工序完全独立于Valisys并独立于机器的坐标系统。跟踪仪将直接测量工件的位置，然后根据工程设计说明书的CAD设计意图直接把机器引导到工件位置上的正确点，关键要素的位置必须用与数控程序相同的基准框架来表达。\n[0185] SOMaC系统的进一步要素提供于我们的论文“数控机械的光学末端控制”，美国汽车工程师学会学报97MP-12，1997年6月4日，其在此引用作为参考文献。\n[0186] 图9是一幅典型的直方图，描述SOMaC控制能提供的孔位置实际测量的准确度和精确度(可重复性)，该图沿坐标(X轴)绘出孔的真实位置自预定位置的偏差及在SOMaC控制下用一台立柱式铣床钻出的197个直径0.3275英寸的孔中具有那样精度的孔数的频度(Y轴)。孔的位置是用Valisys检验分析工具确定的，偏离在0.0至0.001英寸的孔按\n0.001计数，偏离在0.0011至0.002英寸的孔按0.002英寸偏离计数，依此类推到整个范围，真实位置对预定设计位置偏差的平均误差只有0.004英寸(径向定位误差仅0.002英寸)，位置偏离的标准偏差为0.002英寸。这些孔是用“加工规范”工作法钻的，这种分布以及通常用SOMaC获得结果都紧紧围绕着平均值，显示了一个良好控制的过程，具有高可靠性、可重复性及置信度。与传统方法制造的工件相比，在SOMaC控制下制造的工件具有更小的工件与工件间的偏差，要素尤其是坐标孔始终在工件处于更靠近其预定(设计)位置的地方。对易变性的控制极大地简化了装配，而且用这样的做法，SOMaC获得了显著的成本节约。\n[0187] SOMaC在机翼和机身组件制造上的应用宣告了一台自动化激光引导钻床的首次工业应用，来自激光跟踪仪实时位置测量值的自动数据反馈借助于位置调整指令将钻头引导到更靠近设计预定的真实位置处，孔被钻在工程技术条件的0.007英寸允差之内，其位置、大小和深度都得到精确的控制，每个机翼上大约钻7000个孔用于装蒙皮、机身、构架、减阻装置及检修孔。SOMaC取消了对昂贵夹具的获取，否则对这项任务来说夹具是必不可少的。\nSOMaC生产出高质量的工件并消除了通常与手动钻孔有关的费钱的返工，精确钻孔生产出始终一致的、精确的沉头孔并允许较小的边缘余量允差能减少飞行器的重量而提高飞行器的性能。\n[0188] SOMaC更宜于在机器停止时进行跟踪仪测量，过去尚未对静态的和动态的机器工序作出区分，并且妨碍了推广应用三维激光系统末端控制。静态加工工序(例如钻削、检测、镗削、铆接、以及沉头等)要求机器变为静止以后才执行工序，例如，一台钻床准备钻一个孔时，它首先把钻头预置到孔位置的上方，然后当运动真正停止时，机器才把钻头沿一条轴线移动。静态加工工序包括钻削(及其相关的工序)、点焊、开始加工工件之前的刀具初始定位、以及同类的工序。动态加工工序以连续方式沿多条轴线移动，驱动刀具沿一条编程的路径通过工件。\n[0189] 尽管我们描述了优选实施例，本领域技术人员会很容易地认识那些无须离开本发明概念就可以作出的改造、变更和修改，因此根据本发明，在普通技术人员所知晓的全部等效物的支持下，可自由地解释权利要求。用实例解说了本发明，但并不意味着限制它，相应地，考虑到相关的现有技术，用权利要求来定义本发明，并仅在必要时限定权利要求。