提高機器精度的方法

專利名稱：提高機器精度的方法
本申請要求1996年6月6日提交的美國臨時申請60/019,196的權利。
本發明與機器控制有關，更具體地說是與采用三維激光測量機床的真實位置以增進機器的精度和控制的方法有關。本發明尤其在根據工件數字定義進行精密加工、檢驗或兩者兼有時非常有用。一個優化的方法、設備及相關軟件提供了機床的端點控制，把孔和其它要素準確地定位于空間結構的各個具體零件上。
機床表現出難于最小化的尺寸定位誤差，這些定位誤差的主要來源是(1)由于加工時工廠內的溫度變化造成的機器結構和工件的膨脹和收縮，以及(2)機器每根軸線本身的和相互之間的機械偏斜。機器的精度常常很不確定以至必須用獨立的測量方法對工件的尺寸進行生產后檢驗，這種檢驗需要專門工具和技術工人，以及可觀的工廠空間，它使生產進程減慢，檢驗不合格時，工件必須返工或報廢。生產后檢驗、返工和報廢是由不良設計或不良加工工藝造成的。本發明的方法致力于誤差的根本原因，因而減少了生產后檢驗的需求及不良質量引起的費用。
A．機器誤差控制現在有國家標準和“操作規范”以確定和修正數控機器的幾何誤差(參見ANSI/ASME B89.1.12M-1985、ANSI B89.6.2-1973、AMSE B.54-1992)。“操作規范”制定了目前認可的獲取機器精度的方法，我們將簡要地討論“操作規范”。
1．溫度控制環境在一間具有空調的工廠中，機器被保持于某一恒定溫度，如68°F，減小了溫度變化引起的誤差，但是這種方法并未完全解決溫度誤差問題，有三項主要缺點(ⅰ)控制環境的成本高，有時超過獲取該加工的成本。
(ⅱ)機器本身引起的熱效應仍可引起機器變形，如電機在負載條件下驅動發熱及轉軸因摩擦發熱。
(ⅲ)軸的機械偏斜仍然未修正，機器經受正常與非正常的磨損，其機械對準隨時間變化，實質上是不可預知、不可避免且難于控制的。
2．機器校正除機器轉軸引起的誤差之外，三軸機器具有21個誤差參數，這些誤差是每根軸線的線性度(3個)，每根軸線的平直度(6個)，每對軸線間的垂直度(3個)，以及每根軸線或軸線之間的俯仰、搖頭和側滾(9個)。機器校正時要測量這21個誤差參數的一部分或全部，然后對超限的參數進行物理的或軟件的調整。一旦各個誤差得以確認，定量及最小化，即可用均方根法對誤差組合進行求和，以得到機器總體工作允差的估計。有兩個原因造成機器校正不夠完備。第一，這種方法需要可觀的停機時間對誤差進行測量和調整。溫度變化引起尺寸變化，每個工班或每個工作日都各不相同，這一事實使得測量和調整的困難變得復雜。第二，因為不斷地重新調整機器，這種變化意味著最后一組設定數據并不是機器誤差的單張“快照”，而是一連串快照，隨著機器的變化，每張都在不同的時刻，有著不同的參數。偏差的根本原因不是固定的，而只是包含在重新調整之間，隨著機床的變化，生產成了一種折衷，并且在制成的工件中發生漂移。
3．每根機器軸上的線性干涉儀一臺機器的X、Y和Z軸上各配備有一臺線性干涉儀作為精確定位編碼器，這種方法允許對熱膨脹和收縮進行實時補償，但是至少有三個原因使其不夠完備。首先，不能將其應用到旋轉軸上；第二，它不能補償軸間的機械偏斜，第三，它對溫度變化發生時的軸間相互作用不起作用。
4．三坐標查找表這種方法在某一特定的尺寸輪廓之內精確測量機器的性能，精確的性能測量是用一臺獨立的高精度的測量機器來確定實測數據與指定機器位置間的差別來完成。把這些誤差全部收集起來編構成一幅誤差圖，或可用來生成一幅誤差圖。一幅完整的誤差圖可用兩種方式來使用。第一，誤差圖可用作查找表以便當機器在其附近時確定簡單的位置修正；第二，可由誤差圖算出多項式方程，在整個測量輪廓上進行誤差修正插值，用多項式方程調節某一位置的機器指令。查找表的不完備主要因為該查找表僅對一個機器溫度有效，在其它溫度下，機器會或大些或小些，或者有稍微不同的幾何形狀，不能保證機器等比例變化并在溫度發生變化時恢復其原有的幾何形狀。因此，在進行了費時費力的數據采集，根據行為規律導出調整機器位置的一張經驗表格或一組方程之后，偏差的根本原因將繼續降低誤差圖的有效性。只要機器發生變化，誤差圖就先天地不準確。當機器繼續磨損和老化，測到的與原始誤差圖的偏差就發生變化，結果，工件結構的誤差可能增大，必須頻繁地重新校正機器以連續不斷地保有一張準確的正確誤差圖。
5．方法的組合可用這些方法的某些組合來克服單個方法的缺點，但是其凈效應仍然存在(1)長時間停機以測量其真實位置；(2)昂貴的測試；及(3)僅有暫時的、修正的結果。偏差的根本原因仍然存在。例如將溫度控制環境與機器校正相結合，可以在一定時間段內得到精確的機器，控制環境的成本與檢查和調整所用的停機時間成本合起來是很昂貴的。
6．溫度補償機器的軸上配備有溫度探頭，每個探頭測到的溫度被用來計算與其它軸不相關的所在的機器軸的理論膨脹值，用膨脹因子來補償控制器的反饋，于是消除了機器定位能力中的膨脹和收縮。一種更新但近似的稱為“實時誤差修正”的技術也采用溫度探頭，但是試圖提供一個機器結構的非線性溫度效應的三維“誤差模型”。誤差圖反映了由加熱而引起的軸間相互依賴，諸如撓度或翹曲。補償是以復雜的算法來作成，僅對測試到和測量到的偏離輪廓并且僅當機器保持可重復性時是精確的。這一誤差模型是借助于收集實際的三維機器位置及在某一溫度范圍內相應的溫度數據來建立的，它可能需要可觀的停機時間，也可能很難將機器置于所需的溫度狀態中。當這一技術的目的是避開與溫度控制有關的費用時，需要用溫度控制來產生誤差模型，溫度補償與溫度控制遵循同樣的概念根據實際的溫度測量值來修改機器的運動。
溫度補償法有兩個主要的缺點。第一，溫度補償法需要周期性的停機時間以校正傳感器和誤差模型，第二，焦點集中在機器上的溫度補償不能對工件或夾緊裝置的膨脹進行修正。即便有可能消除機器的全部定位誤差并完美地按溫度調整機器，由于溫度對工件的作用，工件仍可能被做得超出允差。溫度補償試圖借助于補償溫度變化造成的機器誤差來間接補償工件的膨脹，但機器誤差和整體誤差之間的修正只是一種不完全的解決方案。
Merry等人在美國專利4,621,926中描述了一種控制物體非直線運動的干涉系統，該系統采用3個一維跟蹤激光干涉儀，剛性地裝在一個跟蹤儀頭部，以跟蹤裝在機床末端作用器上的定向反射器。因為Merry系統的激光反饋被設計成替代傳統的機器控制器，它難于改裝到機器既有的控制系統中。
在本發明的系統中激光跟蹤儀獨立于機器控制器運行，在徐徐送進程序塊中為控制器提供位置反饋信息。[我們使用“徐徐送進”一詞的意思是每次向機器控制器提供(下載)一點點運動控制信息(例如在單個數控程序塊中)，而不是提供整個程序。]我們的工作輪廓大得多(比Merry系統大10倍)，它獨特地使我們的系統適用于大型空間結構的加工和裝配，例如機翼，而且我們的系統設計能在多種現存機器控制器上容易地實施。
Merry采用三邊測量來確定定向反射器的位置，在設置和校正時，機器以恒定速度沿一條獨立的系統軸線作直線運動，以便系統為末端作用器建立一個基準框架并提供坐標數據，把激光干涉儀的位置測量值與末端作用器的運動聯系起來。每個干涉儀都是一維(單軸)測量系統，它產生一個與干涉儀到定向反射器的距離成正比的信號。以此三個輸出信號，Merry控制系統采用三邊測量來計算末端作用器的位置，將此位置與根據所存儲的末端作用器預定運動路徑(即數控程序)的要求位置進行比較，并操縱刀具移動組件把末端作用器移動到下一個要求的位置。激光三邊測量因其成本、不穩定性、設置幾何形狀的要求及先天偏差而尚未在工業中采用。如果將三臺干涉儀布置得相距很遠，三邊測量法工作得最好，但是定向反射器實質上只是一個單軸目標，為了跟蹤這一目標，幾臺干涉儀必須相互靠近，這便引起可觀的插值誤差或計算誤差。此外，三邊測量法實際上需要四臺干涉儀以確定絕對的真實位置。
Merry系統實際上用激光干涉位置測量取代了標準的機器控制器并直接控制刀具。由于越過了機器控制器，可能失去對機器的控制，如切屑擋住激光束的情形。對于高價值的工件，失去控制的風險是不能接受的，相應地，Merry系統因其具有的問題而尚未在工業上施行實際應用。
Merry系統不能僅用這三臺干涉儀來確定工件相對于機器的位置，靜態光學機器控制(SOMaC)能夠用單臺干涉儀把機器相對于工件定位。了解這一參照條件，靜態光學機器控制能在測量機器末端作用器的真實位置后向機器控制器提供增量修正指令以提高機器的精度。
在本發明的一個優選實施例中，靜態光學機器控制能調整機器程序以適應機器或工件或兩者的平移、旋轉或者既平移又旋轉。SOMaC借助于測量工件和機器的位置并對工件和機器的原始基準位置與朝向的變化標度來進行此項調整。SOMaC還能調整(標度)機器程序以適應因工廠溫度、工件溫度、機器溫度的變化及工廠環境的其它物理變化引起的工件或機器或兩者兼有的變化。
本發明的SOMaC系統提供故障安全的機器控制，因為它繼續使用機床的傳統編碼器，但是借助于在真實位置的光學測量過程中提供“飛行中”檢查反饋而增進了靜態工序的真實位置精度。我們的系統在機器停機并準備好下一步加工工序時用徐徐送進指令來修正機器的定位誤差。
B．激光跟蹤儀實時三維光學測量系統(如激光跟蹤儀)是迅速獲得大量準確三維數據的現代化測量系統，這些光學測量系統一般包括一個絕對半徑范圍和一個操縱激光束的機動角度操縱頭，操縱是由一個反饋系統來控制，它連續地驅動激光束來跟隨(跟蹤)定向反射器。激光束從激光跟蹤儀頭部指向裝在機器末端作用器上的定向反射目標，返回光束使跟蹤頭能確定到達定向反射器的距離和方向(即水平和垂直的角度)，這三個測量值(半徑、水平角度、垂直角度)建立了一個球坐標系，它可以很容易地轉換成直角坐標系。
激光跟蹤系統有下列特點(1)達百萬分之10(10ppm)的三坐標精度的精確三維測量(10米范圍中的0.1毫米)；(2)實時的測量值收集和變送；(3)超過每秒500個三維測量值的數據率(一般高達每秒1000個測量值)；(4)簡單的校正；(5)采用高質量的補償器(折光儀)時實際上對氣溫和氣壓變化引起的誤差免疫；及(6)采用定向反射目標的大測量范圍，一般為直徑達100英尺的部分球體。
絕對半徑跟蹤干涉儀能夠重新獲取被暫時擋住的目標，絕對半徑跟蹤干涉儀在加工工序中極為需要，因為工廠中機器、工件及操縱者的運動都會導致光束中斷。我們更樂于使用絕對半徑跟蹤儀，但是我們在很多應用中也能采用較難容忍光束中斷的干涉儀系統。
激光跟蹤儀用于很多應用之中，如測量飛行器或汽車的數字化外形、刀具檢驗及數控機器的精度測試。本發明目前采用激光跟蹤儀，但是可用其它的光學的或非接觸式的測量系統來代替這些系統，為系統提供位置反饋。
在航空工業中，龍門式或立柱式銑鉆床的尺寸范圍可達70米長，這些機器中最大的具有超過700立方米的工作容積，這些機器要求的定位允差一般小于0.20毫米，在100立方米容積中獲得0.50毫米的定位不確定度是困難的，為了使數控機器不確定度的陳述標準化，通常把機器的不確定度乘以一百萬然后除以機器體積的最長對角線距離，以百萬分之一(ppm)為單位陳述其能力。例如，具有0.5毫米定位能力和15米對角長度的典型機器可能得到33ppm的能力。能力優于30ppm的大容積鉆床是很難得到的，由于制造商努力改進工作的質量并降低裝配成本，增加了對更精確的孔的鉆削需求。在航空制造中，這些更嚴格的允差可能在15米的對角線上小到0.10毫米，這可給出6.7ppm的標準要求。這樣的允差超過了大多數機器的能力。
本發明涉及靜態光學機器控制(SOMaC)并借助于使用絕對半徑激光跟蹤系統或其等價物在機器靜止時測量機器的末端作用器的位置和方向來尋求克服大型機器先天的溫度和機械誤差源。這些測量值自動地通過SOMaC計算機，通過位置調整的徐徐送進指令報告給機器控制器，然后機器控制器按需要修正機器的位置。SOMaC采用交互作用技術控制數控機器末端作用器的精度。一種標準差控制協議消除了靜止位置的“噪聲”作用，這一協議將靜止位置區別于機器運動或振動。我們為機器、工件或跟蹤儀的擺動(采用雙軸擺動傳感器)并為工廠中的溫度變化引入了報警器。
SOMaC采用“接觸探頭”或坐標測量機器軟件在系統校正時確定與工件相關的關鍵要素的位置，這些測量值建立了一個工件基準框架。在加工時，SOMaC根據再次測量和評定這些關鍵要素的位置來控制進一步的工序。因為我們建立了一個機器調節的工件基準框架，我們便消除了為建立真實基準位置對精確工件裝卡的需求，工件實際位置(及其要素)是借助于測量工件要素的位置并將測到的位置與工件的數字定義或數字數據集說明(CAD模型)進行比較而建立的，采用比較法不僅是為了計算實際的工件位置，而且是為了計算一個“標度因子”用來調整機器指令以補償實際工件與數字數據集說明之間的差別。這種“自動標度”特性實際上改變了來源于工件工程技術說明的數控程序，以適應在加工中發生的工件物理變化，如對于設計標準溫度20℃(68°F)，工廠溫度變化造成的工件大小變化。例如，我們調整工件要素位置的數字數據集定義以反映工件因其自然熱膨脹系數造成的膨脹或收縮作用，對于“自動標度”我們同時確定我們計算的標度因子是否與我們按工廠溫度變化所期望的大小變化相一致。我們監測工廠溫度(但是也可以監測工件溫度或機器溫度，也可監測這三種溫度的任意組合)并在溫度變化時以適當的間隔重新標度(如在用戶定義的報警設置點上2℃或5℃的變化)。“自動標度”是一種分批的或間隔的調整，而不是連續的重新標度，故減少了所需工藝流程。
SOMaC最好能包括用一臺獨立的三維光學測量裝置精確地為靜止機器的末端作用器的末端位置定位，這可以應用于測量裝置定位精度高于機器精度的任何機器，這對于激光跟蹤儀和至少有一根軸大于15英尺的大型機器通常是真實的。借助于用獨立的光學測量系統間接地通過機器控制器控制末端作用器的位置，機器構架的溫度誤差和偏斜誤差變得無害，因為末端作用器的真實位置受到監測和調節，而無須關心誤差來源。有了使用“加工規范”實踐的SOMaC系統，我們得到的最大線性真實位置誤差在10英尺容量中約為0.003英寸(即0.0015英寸徑向位移)，其偏置誤差分布比僅用機床標準控制器可得到的要緊湊得多，我們用機床控制器指導末端作用器更靠近在定義工件或組件的數字數據中規定的所需位置，然后，我們用激光跟蹤儀或其它位置傳感器驗證末端作用器確實處在正確的位置上。如果偏離了位置，我們向機器控制器發送增量調整來調節末端作用器的位置。
當某些誤差來源可能是非線性的，會引起SOMaC喪失精度時，我們使用最小二乘方擬合算法(或其它適當的回歸分析)來使這些非線性最小化。我們的一階(線性)修正相當健全并且在精度方面獲得顯著的提高。當理解了非線性和各向異性時，SOMaC能適應更加成熟的算法。
SOMaC采用來自光學測量裝置的反饋及相關軟件，向一臺現有的機器編碼器徐徐送進位置修正以提高機器精度，這一系統迅速、廉價并可靠地提供與機器的重復性無關且與機器和工件的關系無關的位置精度。這一系統提供絕對空間方向/位置信息。我們的優化的系統包括下列特性
A．SOMaC在末端作用器處控制機器位置，于是消除了機器總體偏差的來源。
B．SOMaC可以用在一臺有探頭能力的機器上將該機器改變成一臺精密坐標測量杌(CMM)。
C．SOMaC將跟蹤儀的測量值轉換成工件的坐標系統，這降低了工件與機器對準校正過程的復雜性。
D．SOMaC提供一個圖形用戶界面(GUI)，允許用戶控制加工工序的各個方面。軟件是“實時”的，“事件驅動”的系統，將文本文件翻譯成配置和編程信息。
E．SOMaC提供的圖形用戶界面顯示(ⅰ)所需的定位精度；(ⅱ)與跟蹤儀測量精度有關的統計參數；(ⅲ)時序和位置閾值；(ⅳ)操作模式；(ⅴ)偏置與跟蹤儀/機器的對準；(ⅵ)數控進給控制(ⅶ)跟蹤儀位置顯示及采樣率；(ⅷ)溫度監測器及擺動監測器的報警設置點；(ⅸ)在線幫助。
F．由于SOMaC軟件結構的本性，它很容易適應新的機器控制器。使這個系統適應于一臺新的編碼器或機器控制器，所需的唯一變更是一個編碼器界面軟件模塊。
G．可移植性。跟蹤儀和工作站在物理上是可移植的，因此一臺單個系統可以用來為多臺數控機器服務。
H．光束中斷的恢復。如果激光束被擾亂，SOMaC有兩種恢復模式。
(ⅰ)動恢復系統停止并允許操作員將定向反光鏡手動返回跟蹤儀，重新獲得光束鎖定，然后繼續。
(ⅱ)自動恢復系統將機器返回到一個已知位置，命令跟蹤儀建立光束鎖定，然后再按數控程序繼續。
I．SOMaC的結構很容易適應于新的光學測量系統、多路測量系統或者混合測量系統。
J．SOMaC使用“徐徐送進”與控制器通訊，將數控機器與激光器和外部軟件控制器集成一體，來創建一個易封裝的系統，能提高機器的精度。這一方法使得SOMaC可花最小的集成努力而應用于廣大數量的控制器。
K．SOMaC產生一個機器事件的數據檢查跟蹤，即，SOMaC把一系列工序中向機器控制器提供的修正指令都記錄下來，用這些數據便可更容易地測出機器的累進漂移或者磨損退化，甚至辨識工件數字說明中的錯誤。
L．SOMaC把激光跟蹤儀和機器集成到一臺遠離機器控制器的計算機中，因而系統能夠改型成多種不同的數控控制器，而無需對控制器進行軟件修改。
本發明與一種提高機器精度的方法有關，如果被機器控制器控制的機床真實位置與機器控制器根據來源于工件工程技術條件的機器程序指令確定的機床位置相比較，超出了預定的偏置閾值，就在機器程序(如數控程序)中向機器控制器提供增量位置修正指令來修正機器的誤定位。
于是，一方面本發明是一種提高機器精度的方法，包括下列步驟(a)將具有一個末端作用器的機床驅動到根據由機床所加工的工件或組件的數字定義產生的指令所指定的第一個位置；(b)當機床停止在第一個所指定位置時，精確測量末端作用器的位置；(c)將測到的位置與第一個所指定位置進行比較；(d)如果測量的位置與指定的位置之差超出了預定的閾值，則向機床發送增量修正指令來調整末端作用器的位置；(e)可選地，根據工作空間實際溫度對理論設計規范的偏離，用來源于數字定義的溫度效應標尺標度考慮溫度效應的指定位置，并對應于溫度效應標尺調整增量修正指令；(f)可選地，根據工件、組件或相關夾具的關鍵要素的位置變化測量值，用結構標尺標度出來源于數字定義的指定位置，并對應于結構標尺調整增量修正指令；及(g)可選地，用一個裝在機器上的、被來源于工件數字定義的機器指令引導到機器指定位置的檢驗探頭測量加工過的工件，檢驗包括測量一組檢驗要素，實行測量以驗收工件并向機器提供增量校正指令來改進測量，用以提高其精度，將探頭的真實位置與機器指定位置相比較而得出增量修正指令。
本發明還與一種用于在檢驗儀器中測量產品的要素進行驗收的方法有關，包括下列步驟(a)在一臺機器的轉軸上確定測量探頭的位置；(b)用探頭按照由產品數字定義規定的預期產品結構導出的檢驗順序測量產品上所選的檢驗要素作為一組檢驗測量值；及(c)按照檢驗儀器中的實際產品結構因工廠條件的變化而引起的變化測量值標度數字定義規定的預期產品結構以調整要素的相對大小與位置。一般地，這種驗收是在將產品從制造夾具和與做這種產品有關的制造機器上取下之前完成的。這種產品驗收方法允許制造商使用一臺機床作產品檢驗。而不必用一臺精密的坐標測量機。這種“檢驗”允許更多地使用機床并借助于使機床多功能而用作檢驗裝置從而減少整體的加工資金費用。
本發明也關系到計算機軟件存儲程序，它將計算機可讀信息記錄下來，根據實測的機床末端作用器的真實位置或用來源于工件數據集說明(即數字定義)的定位數據所指定位置上的探頭位置與機器控制器遵照實施定位數據的機器程序要把末端作用器移到的位置相比較，向機器控制器提供重新定位指令。
本發明也關系到具有改進的定位精度的機床系統，包括(a)一臺包括一個末端作用器的機床，適應于執行工件的加工工序；(b)一個與機床連接在一起的機器控制器，以通過來源于工件的工程圖或數字數據集說明的位置控制程序來指示機床向指定位置運動；(c)至少定位一臺激光跟蹤儀，用于測量末端作用器的真實位置；(d)一個計算系統，用于將末端作用器的實測位置與指定位置相比較，并用于向機器控制器提供徐徐送進調整信號以抵消指定位置與實測位置間的任何差別；以及(e)可選，由于時間改變那些影響工件大小或方向的工廠條件，對來源于工件數字數據集說明的指定位置調整的裝置。
本發明還關系到一種修改表征工件結構的機器程序空間特征的方法以補償工件或制造工作單元的設計溫度與實際溫度之間的溫度差別，包括下列步驟(a)創建一個在基準溫度下的預期工件結構的計算機可讀的數據集說明；(b)按照預定間隔的溫度變化，在足夠多的位置點測量制造生產單元中的工件以確定由工廠條件引起的工件大小和方向的相對變化；以及(c)按再測量值和基準測量值的比率調整數據集說明。
最后，本發明關系到一種修改說明工件結構的機器程序空間規定的方法以補償工件在工廠內制造期間發生的變化，包括下列步驟(a)在足夠多的位置點測量工件以識別在第一個數字說明中的實際結構；(b)測量工件以產生工件的第二個數字說明；(c)將第二個數字說明與第一個數字說明相比較，以確定一個標度因子；以及(d)按照這一標度因子調整機器程序。
在考慮本發明的附圖和詳細描述后，可更好地理解本發明的這些特點和其它特點。


圖1是一幅SOMaC概念的軸測示意圖，有兩個自成系統的激光跟蹤儀位于一臺立柱式銑床工作空間的極端位置以改善裝在一臺本應是傳統立柱式銑床上的鉆具的精度。
圖2是一幅SOMaC機器修正過程的框圖。
圖3是一幅SOMaC計算結構硬件的框圖。
圖4是一幅描述SOMaC接口的框圖，接口在IBM RS6000控制器上運行以使傳統的機床能獲得真實位置精度以產生具有數字工件設計(即三維實體模型)中預定精度的工件。
圖5是一幅描述機器響應機器位置調整的運動示意圖，SOMaC通過一個誤差修正向量提供此位置以在機器將自身定位于一個指定位置后把一個孔更精確地定位于一個名義孔位上。
圖6描述了建立一臺機器和一個工件之間空間基準的過程。
圖7描述了建立起圖6的空間基準之后，考慮機器、工件或兩者兼有的運動，調整機器程序的轉換過程。
圖8描述了一臺適用于實時定向的機床，它使用絕對半徑激光干涉儀和SOMaC來控制鉆削和工件夾具上的夾具球基準。
圖9是一幅典型的直方圖，表示工件上孔的位置。
圖10表示了一臺在不同控制區域使用多臺跟蹤儀，以在很大的工作空間內控制一臺龍門銑床精度的機器。
在提供了SOMaC的一般概況后，我們將描述SOMaC的硬件結構，然后我們再描述計算機的軟件結構。通過這些描述，我們將討論用于一臺數控機器的SOMaC實施，但是這些原則也可用于機器人、自動化的工具、機器、設備、及其他受自動或手動控制而移動的物體。
改進一臺機器自動化的工具或機器人的精度以使工件制造得更接近于工程要求，涉及到用一種獨立的、更高精度的位置測量系統增強機器控制以修正由機器或工廠引起的誤差。SOMaC在機器程序中向機器控制器提供增量修正指令以把機器的末端作用器移得更靠近預期的機器位置。當機器在加工前停止時，獨立的測量系統確定設備末端作用器的真實位置。SOMaC然后調整機器的誤置，因為SOMaC知道零件或工件對于機器的關系(即方向)并在一個公共基準框架中測量工件和機器。為實現其改善加工過程的Cp和減少機器漂移率的增強功能，SOMaC必須具有來源于工件數字定義的機器程序，必須校正機器和工件以了解他們的相對位置，必須校正安裝在機器上的定向反射器(目標)使刀具尖端到達精確位置，然后還必須在增加增量修正指令時執行增強的機器程序以實現加工工序。
機器程序的準備涉及到為在一系列加工工序中移動機器以生產用工件的數字定義(計算機輔助設計模型)的物理特征指定的工件而推導指令。導出的路徑和節點稱為“機器程序”，這是機器控制器能解釋的一組軟件指令。用于產品驗收的機器程序也必須從工件的工程技術條件中導出。為產品驗收，一個檢測探頭將識別并測量工件的關鍵要素，以保證工件事實上確與工程技術條件相符合。
建立工件和機器的方向，也被我們稱作“系統校正”，將在此段詳細描述的結尾處極其詳細地描述。校正將在獨立的高精度測量系統和機器與工件之間設置基準框架，該測量系統通常是一臺激光跟蹤儀。為了校正，跟蹤儀必須在機器的工作容積內至少測量三個預定的位置。
校正定向反射器一般涉及到用機器的接觸探頭測量工件的關鍵要素，同時跟蹤儀也測量該系統。實際上，在這一步驟中坐標是同步的，因為機器和跟蹤儀都同意每個關鍵要素的位置都處在機器程序所規定的坐標上。在這一步驟中，SOMaC還確定初始基準標尺，與自動標度或實時定向一起，為工件制造期間工廠條件引起的工件、機器或者這兩者的變化而調整機器程序。
當機器在機器的每次停止中(或者在其它操作者定義的間隔中)執行機器程序時，SOMaC就測量末端作用器的真實位置并計算改善精度必需的增量修正指令，包括標度調整。
SOMaC改善機器特別是大型數控機器的精度。SOMaC借助于改善精度生產出偏差表現較小的工件。工件更接近于工程技術條件，而且顯著地減少了由機器磨損或誤差積累引起的精度自然漂移。具有較小偏差的工件更容易裝配，它們裝成更接近于工程技術條件的組件。SOMaC具有取消對機器精度證書和加工后檢驗的需求的潛力，它允許制造廠商對其機器升級以增加其先天的精度并使制造廠商的機器更具萬能性，從而顯著地減少了制造廠商的工具成本。一方面，SOMaC可代替坐標測量機(CMM)用于產品驗收(檢驗)，它使制造廠商能將資金、設備和維修(生命周期)成本減至最小，這對當今精良和敏捷制造業控制產品成本是關鍵的目標。SOMaC降低了工件和裝配成本，減少了整個制造周期時間，提高了工件和組件的質量，使得它們更接近于工程技術條件，而且還因產品性能的提高，至少在航空產品方面改善了用戶的滿意程度。性能的改善隨單元成本的降低而來。
1．SOMaC硬件結構優化的SOMaC系統的5個硬件元素(圖3)是(1)機器，(2)機器控制器，(3)獨立測量系統(如激光跟蹤儀)，(4)獨立測量系統的控制器，及(5)工作站。機器及其控制器負責機器控制的多個方面，包括工件程序控制、操作員界面、伺服控制、功率分配及控制、編碼器信號調理、以及與外部裝置的通訊。現有很多機器控制器，但工業標準化極低。當試圖向一臺安裝好的機器的大型基體上集成或移植諸如SOMaC之類的能力時，控制器的差異顯示出嚴重的問題。我們用以解決這種問題的方法將在說明書的較后部分涉及，其解決方法對于能力的實際實現是重要的，因為象波音公司這樣的制造廠商，由于能把這一系統盡最大量與它現有的機床一起應用而獲得了最大效益。
我們傾向于使用運行AIX操作系統的IBM RS6000工作站，但是也可能使用其他具有類似能力的系統。工作站為激光跟蹤儀控制器和機器控制器之間提供了聯系，工作站控制工件程序、請求來自激光跟蹤儀的測量值，并為機器提供增量修正指令以將其末端作用器(或檢驗探頭)移動得更接近于預期(設計)的位置。SOMaC取消了從數控控制器向工作站的程序控制，工作站徐徐地向控制器送進誤差修正矢量的程序指令以定義增量修正指令。激光跟蹤系統控制器目前是一臺IBM兼容微機，在DOS操作系統下工作，但是可以換成任何相當的處理器或操作系統，進一步的實施可能要把激光跟蹤儀控制器合并到工作站之中。
圖5描述了這種機器精度改善，機器100根據來源于工件120的數字定義的機器程序指令攜帶一個鉆頭110到位置#1。在位置#1，如果機器要在工件上鉆一個孔，則孔130可能會從名義孔位置140偏離，有了SOMaC，跟蹤儀150用機器100上的反射目標160和工件120上的夾具球170確定鉆頭110的位置。SOMaC向機器100徐徐為誤差修正矢量180送進指令，同一個閾值迭代反饋環把鉆頭110移近名義孔位置140。
每個硬件部件之間采用RS-232或以太網的串行通訊。串行通訊通常用在機器控制器和其它裝置之間，特別適合于SOMaC，因為三臺計算系統之間的通訊不需要確定的時序，也不需要極高的數據速率。跟蹤儀系統和工作站之間的單個串口連接是雙向半雙工的，工作站和控制器之間的串行連接在機器控制器中各不相同，將來的實施可能包括其它的通訊方案。
我們將閾值變量定義為指定的機器位置和測量的機器位置之間的尺寸允差，我們還定義了一個迭代變量以確定在確認一個空間位置或發出一個警報之前允許的“移動-檢查-移動”循環的最大次數，機器按程序的指令將末端作用器置于一個初始位置，跟蹤儀測量末端作用器的位置與/或方向。機器指定的位置和跟蹤儀測量的位置被進行比較，并作出是否要根據閾值移動機器的決定，如果差別大于預定的閾值，則機器必須重新定位。機器重新定位之后，系統必須再次測量機器的位置。這一是否重新測量的決定是根據迭代值作的，例如，如果迭代值是零，跟蹤儀將決不再證實機器已經被正確地重新定位。實際上，迭代值并非設置成零，如果需要一次迭代，則跟蹤儀再測量機器的位置/方向。系統比較所測位置、發送增量修正指令并連續執行直到迭代計數器超出或者直到機器指定位置和跟蹤儀測量的位置的比較值小于預置的閾值。
如果在達到閾值之前迭代計數器超出，就向操作員表現一個錯誤信息，操作員作出如何繼續的決定。為閾值和迭代所選的值優化了工序的效率，當選擇閾值和達代時重要的考慮因素是(1)機器的可重復性，(2)跟蹤系統的可重復性，(3)機器的分辨率，(4)要鉆削的項目的工程允差，以及(5)每個孔所允許的修正時間。
除閾值和迭代之外，工作站軟件最好也包括下列可由用戶定義的參數(ⅰ)最大遞增補償。這一參數是對任何單臺機器的位置所允許的最大機器修正，一旦超出，系統就產生一個警告。
(ⅱ)最大總體補償。這一參數是對某一特定工件的最大總體機器修正，如果超出，系統便產生一個警告。
(ⅲ)標準偏差。這一參數是在對象測量值被認為可靠之前，多樣本機器測量值的允許偏差。
(ⅳ)最大允許溫度變化。如果超出，系統將不繼續加工工件，而是把自己向工件重新定向，以確定是否發生了任何膨脹/收縮或者工件運動。
(ⅴ)最低/最高溫度。如果超出指定的最低或最高溫度限，系統將停止工序。
(ⅵ)差動傾角的最大變化。系統包括差動傾角儀，任何數量的差動傾角儀可以以任何方向安放在系統的任何部件上(機器/工件/跟蹤儀)，當任意兩個傾角儀的關系變化超過用戶定義的量，系統就自動對工件給自己重新定向，以補償任何工件/跟蹤儀/機器發生的運動。
一般來說，這些參數是根據機器的最壞情況的精度記錄和按最接近于工程技術條件的合理的一致性(允差)生產一個工件或組件的必要性而設置的。當連續工序有產生不符合條件的、不能驗收的工件的危險時，必須觸發警報以便在返工和報廢的結果產生之前作出調整。
圖1表示一臺立柱式銑床，帶有長度約達200英尺的工作臺，臺上橫向運動的極端位置布置有2臺萊卡SMART310e或相當型號的激光干涉儀20。但是SOMaC很容易適應于其它的傳統機床，包括高架龍門式多軸機器、波音公司的自動翼梁裝配工具機(ASAT)、GEMCOR鉚接機、波音公司的多任務龍門鉚接系統(MTGRS)、及類似設備。SMART310型激光跟蹤儀有大約100英尺的測量半徑，因此移動的橫向距離決定了何時需要多個跟蹤儀來覆蓋工作空間。SOMaC能同時適應多個跟蹤儀對位置數據的若干通道使用數據結合算法及協議，包括主從結構、表決器、加權束協議等，或者，它可以在順序的工作區里在跟蹤儀之間切換。圖10表示了一種多個跟蹤儀的布置法，一臺龍門銑50在一個工件60的上方大約200英尺長乘以50英尺寬的區域內移動，4個跟蹤儀70定位于圍繞工作區域選定的位置上以便在覆蓋區80、82、84和86內為工件60提供完全的測量覆蓋，這些覆蓋區在某些地點互相重疊。在某些重疊容積內，將由2臺跟蹤儀提供測量數據，同時在幾個容積92內將由3臺跟蹤儀進行測量，但是工作空間的極限端將落入僅有單臺跟蹤儀的覆蓋區。在順序跟蹤儀系統的重疊區內，只要是范圍內有不止一臺跟蹤儀向SOMaC處理器提供測量數據，我們就更樂于使用加權束控制協議。從多個跟蹤儀來的測量數據對計算變換的方程系統過分定義，額外的數據或是冗余的，或可改善精度。權重部分地反映了歸于該跟蹤儀數據精度的置信度并由幾何結構和經驗來確定。
一臺跟蹤干涉儀能提供3軸定位測量與控制，要獲得4軸或5軸控制則要求在同一空間中有多臺跟蹤儀工作。借助于多臺跟蹤儀，我們使用合并算法將測量置信度最大化，因此將誤差減至最小。帶有絕對半徑能力的更新式的跟蹤儀使我們能用一臺跟蹤儀控制機器所有的軸。
作為一項標準特性，跟蹤儀一般包括一個屈光度計對工廠空氣屈光指數變化作波長補償，否則半徑精度可以被工廠里溫度、壓力或濕度的變化顯著地影響，為了SOMaC所追求的精度改善，這樣的半徑修正對于獲得所需結果是重要的。有了屈光指數調節，激光跟蹤儀能夠在很大空間內實時地獲得百萬分之幾的出色測量精度。有了這樣的精度，半徑測量可以提供足夠精確的真實位置反饋來改善機器的末端位置控制。
Ⅱ．SOMaC軟件結構SOMaC軟件有兩個主要的部分工作站軟件和跟蹤儀軟件。自動標度和實時定向是我們通常包括的工作站軟件成分。
A．工作站軟件稱為“SOMaC”的工作站軟件模塊(圖4)的首要目的是在跟蹤儀、操作員和機器之間提供一種聯系。SOMaC有若干個邏輯塊或過程，各自通過一種過程間通訊(IPC)技術進行通訊。系統中機器特有的部分被分隔成不同的過程，便于將來的“即插即用”能力(例如，加入一個新的機器族)。
SOMaC軟件是“即插即用”的，與Valisys軟件產品家族(可從Technomatix技術公司獲得)兼容，因此能夠經由現有的Valisys機床接口(MTI)與種類繁多的數控銑床和數控坐標測量機(CMM)通訊。盡管可用任何適當的編程語言，SOMaC使用一種翻譯型C語言或類似物來驅動其工序，所翻譯的信息存儲在人員可讀的文本文件中。SOMaC為SOMaC過程提供主要的圖形用戶界面(GUI)并與其它的機床接口通訊，將自身與機器特有的部分隔離開來并增加其通用性。
SOMaC機床接口為SOMaC過程提供主要的人員界面，并直接與其它的機床接口通訊。當這一模塊不直接與跟蹤裝置或數控機器通訊時，它與那些和跟蹤裝置通訊的機床接口通訊。下列功能被優化地集成到SOMaC模塊之中1．用戶界面用戶界面依照Motif用戶界面標準，是面向視窗的。
2．系統配置管理用戶可以規定、存儲及修改系統的配置，系統配置的元素包括要使用的跟蹤裝置的數量及型號；精度閾值，迭代限；要控制的機器軸組合；顯示精度；及履歷文件的格式。
3．軸變換跟蹤系統的坐標基準框架可以用“三點擬合法”或者“最小二乘方擬合法”與機器的基準框架對準，三點擬合法僅用跟蹤儀上和機器上三個相同的點來計算從跟蹤儀基準框架到機器基準框架的變換矩陣，最小二乘方擬合法使用三個以上的共同點進行變換。但是這兩種方法都達到把跟蹤儀測量值轉換成機器坐標中有意義的坐標值的目標。一旦進行了這種變換，SOMaC自動地提供一個人員可讀的、實時的機器實際(激光)位置的顯示值，可以由機器操作員閱讀并直接與獨立的機器位置顯示值比較。這種變換無須精確，因為工件上關鍵要素的未來測量值會定義跟蹤儀和工件的關系。
4．錯誤恢復在鉆孔或檢驗過程中，激光跟蹤儀系統可能會從視野中丟失機器末端作用器上的一個或多個目標，且不能重建聯系，如果末端作用器的定向反射器(目標)轉動超過了可用范圍、介入的結構擋住了跟蹤儀和定向反射器(目標)、或者不良修理/維護擋住了它們，則跟蹤“鎖定”可能被破壞。SOMaC模塊提供了三種從失去光束錯誤中恢復的技術手動法、“前瞻”法和“后顧”法。
手動方法允許操作員停止過程，并人工地將目標回位到跟蹤儀以重新建立聯系，操作員將目標置于一個跟蹤儀測量的已知(初始)位置，然后，在跟蹤儀跟蹤目標的同時，操作員將目標移到實際的位置上，這樣，跟蹤儀就能參考初始位置而知道實際的位置。
“前瞻”法引起跟蹤裝置指向下一個需要測量的位置，并等待目標進入視野，一旦進入視野，SOMaC會命令跟蹤儀收集準確的測量值。前瞻法只能用于具有絕對半徑能力的跟蹤系統，帶有激光干涉儀的跟蹤系統測量半徑的相對變化，因而必須有一個具有足夠精度的已知坐標的起始標志位置，帶有激光雷達半徑系統的跟蹤系統測量由跟蹤儀到目標的絕對半徑，且不需要一個精確的標志，因此這些系統可以給以“前瞻到目標的下一測量位置”的指令。
“后顧”法引起機器沿著通向錯誤發生前的最近一個測量點的路徑退回，跟蹤儀則被命令返回到這一坐標并能恢復跟蹤，假定指向目標的半徑與它上次被測到的半徑相同。如果機器的可重復性超出可接收的允差極限，由于它依賴于機器來建立“真實”位置，“后顧”法易于產生尺寸誤差。因而，每次使用“后顧”法都引入一個相應于機器可重復性空間誤差的絕對位置誤差。如果失去光束的次數為任何顯著的數目，就會隨“后顧”法發生漂移。
5．數控程序控制SOMaC模塊處在機器控制器運動指令中“徐徐送進”程序段的控制之下，SOMaC模塊允許操作員、程序員或后處理員在運動程序中插入用戶定義的關鍵字，指示在何時發生了跟蹤儀對位置的檢驗(如果適宜，還包括對機器的調整)，變通的做法，現存的字符串可以用作關鍵字。SOMaC只是在它遇到一個關鍵字時才用激光跟蹤儀數據準確地更新機器的位置。下面的例子使用“Measure SOMaC”作為關鍵字N101X50.000Y100.000Z5.000A90.00C0.00N102(MSG,Measure SOMaC)N103G1Z2.4N104X51.000Y101.000Z5.020A90.00C0.00N105(MSG,Measure SOMaC)N106G92X50.000Y100.000Z5.000在遇到“Measure SOMaC”關鍵字時，SOMaC系統將提示跟蹤干涉儀(或其它的獨立測量系統)測量機器當前的位置。當該測量的迭代過程完成時，機器就準確地重新定了位，因此運動程序指定的位置和真實的空間位置符合一致，然后，關鍵字后面的一段程序得到執行。在我們的例程中，在程序段N106，鉆了一個孔(Z5.000)，運動程序在監視器上向操作員顯示，因為運動指令是“徐徐送進”機器控制器的，因此操作員可以確認工件編程的工序。
B．跟蹤儀系統軟件跟蹤儀系統軟件(圖4中的Bo跟蹤)是一個用C寫的DOS應用程序，駐留在激光測量系統控制器中，這一軟件接受來自跟蹤儀接口的指令，進行測量，并向跟蹤儀接口報告測得的坐標值。此外，如前所述，該軟件與一個用于激光波長補償的屈光計通訊，為了在每次半徑測量前更新屈光指數，該軟件向屈光計要求當前的屈光指數，所述軟件比較屈光指數的當前值與前次值，如果數值差別大于預定的量，如百萬分之0.5，則軟件將存儲的屈光指數值改變成當前的值并用當前值來計算距離。這樣，在進行半徑測量和在跟蹤儀處理器中計算半徑時總是使用最準確的環境條件。
該軟件把SOMaC工作站軟件與任何特殊類型的測量硬件或軟件分隔開來，這種適應性提高了SOMaC在工廠中的效用，因為SOMaC能以最小的軟件開發投入與它遇到的任何硬件組合一起應用。
該軟件以兩種方式運行自動式的和診斷式的。自動方式用于SOMaC運轉的情況，在自動方式下，軟件自動地響應從SOMaC模塊送來的指令。在診斷方式下，操作者使用菜單結構中的指令完成各種任務。
C．自動標度下面，我們將討論數據程序的自動空間調整以修正生產環境下的溫度影響。我們一般稱此特性為“自動標度”。
數字控制(NC)機床通過稱為數控程序或機器控制數據的人員可讀的機器語言接受定位指令。數控程序是從工件的一幅工程圖或一個計算機輔助設計(CAD)模型(例如一個數字數據集)產生的(或者借助于手工，或者在計算機的幫助下)。工程圖或CAD模型表達了實際工件所需的結構，但是實際的工件通常作為環境溫度的函數產生大小變化，材料具有熱膨脹系數(CTE)，它確定了對于溫度的某一變化，材料會膨脹或收縮多少。認識到這一問題，大部分工程圖和CAD模型都把設計尺寸與一個特定的基準溫度聯系起來，在國際上公認為20℃(或68°F)。工件材料在加工時決不會正好是20°C，所以，在制作實際反映了在工程圖或CAD模型中建立的設計意圖的工件時可能存在問題。如果一個工件在溫度高于20℃(即使只高幾度)時被加工，則當冷卻到20℃的基準溫度時，得到的工件可能在尺寸上與名義尺寸不同。取決于材料、允差和溫度，加工的工件在加工時可能在允差之內，但是當與基準溫度平衡時超則出允差，更為糟糕的是，每種材料具有不同的熱膨脹系數，而且一個飛行器組件可能包括很大數量和很多種類的材料，而且當銑床隨著溫度的變化膨脹或收縮時其形狀也發生變化。
修正由溫度變化引起的尺寸和形狀變化的傳統方法包括控制工廠的溫度或者監測工廠的溫度并對應于溫度測量值對機器編碼器實行經驗性調整。如我們將要解釋的，這些解決辦法即使結合起來也不能獲得精確的加工。
溫度對工件及其后續組件的精確制造的影響是相當昂貴的，在不同工廠里和不同溫度下制造的部件也許不能恰當地組裝到一起，引起返工、報廢或者延誤工期，特別是對那些依賴于坐標性要素(特別是孔)的精確位置而準確裝配成更準確地反映了工程的設計而不是組件加工夾具的形狀的產品的組件有嚴重影響。美國專利5,033,014極其詳細地討論了這一設計對夾具的難題。航空是這樣一個領域，在那里，實際建成的組件對預期設計的變化或偏離即使很小，也會對產品的性能有顯著影響，因此有顯著的需求要調整加工以適應工廠和工件的溫度變化，這種解決辦法還必須是迭代式的，以允許在可能延續數小時或數天的整個加工工序中進行標度。
工件和機器的傾斜(傾擺)是一項重要的考慮，因為引起膨脹和收縮的溫度變化可能導致機器、工件或跟蹤儀的傾擺。我們在每個上述物體上放置了傾角儀以便在它們之間的空間關系發生了變化時提供一個警報信號，如果一個傾擺警告的情況出現，操作員必須重新對工件校正跟蹤儀。
自動標度是一種溫度補償技術，可用于工業光學檢驗系統，如攝影測繪儀、光學經緯儀和激光跟蹤儀。自動標度測量實際工件基準點或要素的位置，確定這個工件實際上對于設計基準狀態膨脹(或收縮)了多少，然后向后續的位置工序應用一個尺寸變化補償因子(標尺)。自動標度技術不依賴于工件溫度的測量值，但是卻依賴于實際工件的大小，自動標度因子是工件的“實際”大小與基準大小的比率(用十進制小數表示)，標尺因子是根據實測實際工件幾何形狀與基準幾何形狀的比較對實際工件的“最佳擬合”，根據大量的因子值，實際工件表現出非線性變化。我們比照獨立的溫度測量值和工件膨脹模型來檢查我們的標度因子以便使差別最小并檢測意外的行為。我們在自動標度的同時進行工件位置的計算。
自動標度根據工件基準點或要素的移動評價工件體積的變化，以此在三維空間起作用，當三個夾具球足夠建立三維坐標系統時，我們更樂于使用大量的夾具球來獲得工作空間上更為細致的變化等級，我們可以使用任意三個球來建立一個基準平面并可以把工件分成區域或可以用中間球來證實工件的彎曲、膨脹或扭轉。我們用和放在工件或刀具上進行經緯儀質量檢驗同樣的夾具球實施自動標度，用我們設計的軟件把自動標度與溫度變化聯系到一起，也就是說，我們根據工廠溫度足夠大的變化(閾值)的方差測量夾具球，例如每當溫度變化了2°F時，我們就可能重新標度。實時定向沒有和用于測量及再標度的溫度變化觸發裝置相聯系，而是系統利用實時定向，每次加工工序之前借助于測量夾具球而連續地重新標度。
例如，如果工件上兩孔之間的距離在設計基準溫度下是100英寸，而在溫熱工件上測得的實際距離是100.10英寸，則自動標度因子將是100.1/100.0=1.001000，如果要在工件上再鉆兩個相距200英寸的孔，我們向所要求的200英寸距離應用標度因子，實際上鉆兩個相距200.2英寸的孔，當工件回到基準溫度時這兩個孔將如所要求的正好相距200英寸。
當所討論工件必須在相對較長的時間段內，在各種不同的階段制造，可能經歷很多不同的溫度狀態，自動標度和實時定向就很有用。實際上自動標度的主要作用在于工件可以在各種溫度狀態下進行處理，而處理完成時能最好地符合工程設計的尺寸。
自動標度依賴于所感興趣的工件上一系列要素的一套預先建立的坐標值，這批數據稱為基準文件，可由任何對此應用具有足夠精度的檢驗系統來產生，基準文件中的坐標值表示了要素的位置(通常在工件基準系統中)，一般在20℃。坐標值是借助于平衡在設計基準溫度時檢驗工件或借助于標度檢驗數據而確定的，這一基準文件成了與工件相關聯的特有數據集并可用來自動標度過程的后續步驟。
自動標度
(1)為工件(即將出廠的硬件、工具、量具、工裝夾具等)創建一個基準CAD文件；(2)將工件安裝在機器臺上；(3)測量基準點(使用機器接觸探頭或獨立檢驗系統)；(4)計算標度因子；(5)將標度因子應用于機器控制程序；(6)為在調整了的坐標上加工而整備機器；及(7)用復位的標尺連續加工工件，直到溫度變化值得考慮重新標度，或者連續地重新標度，(用于實時定向的實施)。
自動標度要測量工廠環境溫度或工件溫度，或者兩者都測，觸發重新標度的步長是選擇在此間隔上的溫度變化將在機器精度方面產生可識別的變化，一般為2至5°F(1至2.5℃)。一般不需要連續標度，選擇合理的重新標度步長可減少計算機處理。
D．實時定向溫度只是應考慮的因素之一。工件要素的準確置位需要準確的機器，大型機器尤其是鉆床因為溫度變化、基礎移動、機器定位精度(直線度、垂直度、線性定位等)、或者磨損而先天地不準確，當然，最令人沮喪的難題是難于控制、不可預測和難于再現的環境條件，例如與海洋潮汐相關的地基移動。這些影響經常是非線性的或是混沌的，它們能改變在制造過程中機器和工件的空間關系，產生不精確情況。
把機器和刀具做得厚重以使它們能經受來源于自然和外部的力的扭轉和彎曲是通用的且昂貴的做法，對于大部分精密加工，要求頻繁地校正和再校正而增加了成本，校正所需要的時間可能比改變工件與機器空間關系的現象(潮汐、溫度等)的周期性還長，如果校正比變化的周期還慢，則校正調整將很難達到可接受的確定度。
在我們的優化的實例中，我們用絕對半徑跟蹤干涉儀實現實時定向(RTO)。這些裝置能精確測量到一個光學目標的距離，并能通過轉動控制被指定去從一系列目標中收集數據，距離和角度測量值的結合被轉換成每個目標位置的三維空間位置，首先在工件容積中創建基準位置或關鍵要素以準確構成大型工件，這些關鍵要素由操作員“檢驗”以便與要素相關聯并耦合在機器坐標系統中而將工件準確置位。關鍵要素經常是“夾具球”或裝在轉軸上的球體，它們在工件上有準確的位置。
實時定向過程(1)當用跟蹤儀監測定位時，借助于沿著一條預定的路徑運動機器而確定跟蹤儀和機器之間的關系(名義的)；(2)創建一個為工件上安裝的一套(至少3個)光學目標定義一系列三維位置值的基準程序；(3)在每個鉆削工序之間用跟蹤儀測量每個目標的位置；(4)計算基準目標的名義位置和當前位置之間的數學轉換；(5)對機器程序施行轉換；并(6)將已轉換的程序發送給機器。在本例中，測量值允許機器在預期的位置上鉆孔而無須顧及工件、機器或兩者的平移或轉動。圖6和圖7解釋了這一過程。在圖6中，實時定向在機器和工件之間建立了共同的基準點，當機器和工件都移到了一個如圖7所示的偏離位置，實時定向測量值就為機器程序產生一種變換(即一個誤差修正向量)，使機器仍然能在預定(名義)的位置鉆孔。也就是說，實時定向不顧及機器、工件或兩者都會移動，不顧及機器、工件或兩者都會變大或縮小，都許可精確加工。實時定向能用這種健全的解決辦法適應實際制造中的“必要的災禍”(至少用于有5軸能力的機器)。
我們的技術依賴于一套為感興趣的工件上一系列光學目標預先建立的坐標值，軟件提供一種定義、預測量、然后向目標定向的方法，當機械的、溫度的或其它的影響造成目標改變位置時，跟蹤這一套目標的最佳擬合位置。伴隨著實測的工件位置和方向的變化，在工件上鉆孔時發送給機器控制器的數據程序得到迅速修改。在鉆孔工序之間，工件的位置受到監測，用標度因子將下一道鉆孔工序適當地移位和標度，相對于前一個孔及工程設計把孔置于正確的位置上。
對于實時定向，基準要素的實際位置在每個加工工序之間是用絕對半徑激光測距儀連續地或增量式地監測的，計算機計算發生于設計(名義)基準位置和實際測得的位置之間的坐標變換，并應用適當的標度因子調整數控程序。
下面的簡單例子及圖6-8描述了實時定向過程。至少有3個光學目標800裝在工件810上，至少有3個裝在機器或機器人830的末端作用器820上，它們在工件上彼此隔開一定距離以表現其物理特性。在工件上使用很多目標可以在有決定性關系的區域提供提高靈敏度或細節，工件的初始位置由確定其目標的位置來測量，對每個鉆頭的位置一臺或多臺跟蹤儀840測量機器和工件上目標的位置而SOMaC計算適當的標度因子和位置調整。一條增量校正指令調整機器程序以把刀具移到下一道工序的實際位置上。如果機器是5軸(6個自由度)機床，則機器與工件關系的改變并不重要。這就是說，如果這些變化(如那些與潮汐或溫度變化相關的變化)相對于加工工序來說是緩慢的，則5軸鉆床或機器人的鉆頭尖端的平移與轉動的誤差能得到完全補償。要在6個自由度內既跟蹤工件叉跟蹤機器，最少需要3個光學目標800裝在機器830和工件810上，根據工件和機器的最近實測位置或從工程設計基準來進行調整。
當我們在測量中留出時間以抵消溫度噪聲時，為實時定向測量工件和機器的位置需要大約達10秒的時間來測量6個光學目標。操作員應當以何種頻繁程度進行半徑測量所依賴的因素包括機器的剛度、工廠內溫度波動和變化的速率、機器相對于工件的傾斜、以及加工工序之間的時間間隔等。系統可以很容易地適應溫度、傾擺、時間或其它適當的警告，按規定的時間間隔強制進行重新校正(半徑測量值)。數據程序的指令也可以在加工中預定的點上觸發半徑測量，如前所述，這對坐標性要素的精確置位尤其重要。
在根據加工進行描述時，自動標度和實時定向過程還可應用于檢驗。SOMaC系統可以用于精確地加工工件，也可以用于檢驗加工過的工件。檢驗也許是和加工控制同樣重要的功能，因為它能減少有關購置和維護專用的檢驗儀器尤其是坐標測量機(CMM)的成本、有關把工件轉送到坐標測量機上的成本、以及有關在工件和坐標測量機之間建立一個已知的空間關系以允許最終的工件檢驗的成本。借助于檢驗機器上的工件，有可能發現，工件從其機夾具上卸下后出現的工件結構變化的根本原因實際上是源于錯誤的設計或運輸事故，而不是不精確的加工。對于檢驗，一個檢驗探頭代替了機器轉軸上的刀具，在整個預定的檢驗過程中，機器按照預定的數字定義移動探頭，在將發生要素檢驗的每個位置，SOMaC軟件讓跟蹤儀為機器的失準和環境的誤差進行適當的調整。
本發明的技術可補償真實世界中的外部事件而不是試圖控制或消除這些事件的自然發生，它們生產空前準確和精密的工件，并且比甚至用最高手藝的工匠在最受控制的環境里工作所能獲得的要快得多。這些過程使得簡單的、低成本的機器能生產精確的工件并為航天工業中的精良及敏捷制造鋪平道路。通用機器可以用來制造各種各樣的超常精度和準確性的工件，因而極大地降低了資金費用和工廠規模。
Ⅲ．系統校正起初，跟蹤儀和機器是借助于運行一個對準程序對準的，該程序指導機器按照預定的途徑通過一個有代表性的空間，同時跟蹤儀進行“跟蹤”(即記錄運動)，然后計算跟蹤儀坐標系統和機器坐標系統之間的關系以提供粗略的對準，該關系為“粗略”是因為工件相對于機器的位置是不準確的，而且機器的運動包括了先天的機器對理想狀態的偏差。
一個探頭通常使用如Valisys的檢驗軟件借助于接觸測量工件上的關鍵要素，如圖6所示。我們計算跟蹤儀的實測數據和設計成工件的數據定義并翻譯成數控程序的基準系統之間的變換，這一變換是根據用接觸探頭(它是根據粗略對準過程中的激光反饋來修正的)對關鍵要素的測量而定，根據關鍵要素信息，在跟蹤儀基準框架中工件位置現在完全已知，軟件重新辨識數控程序的方向以符合工件被置成的位置，不需要為工件重新對準。當然實際工件的位置和來源于設計數據的基準位置必須與所需的工件位置足夠接近以使檢驗探頭能在近似準確的位置上接近工件。檢驗探頭必須在實際上識別所預期的要素，軟件允許操作員用一個簡單的單點檢驗工序(示教點)“示教”給系統工件在什么地方，然后用關鍵要素的檢驗改善工件的位置使一切都鎖定到位。跟蹤儀還能測量關鍵要素的位置(裝在工件上的反射目標)使得工序完全獨立于Valisys并獨立于機器的坐標系統。跟蹤儀將直接測量工件的位置，然后根據工程設計說明書的CAD設計意圖直接把機器引導到工件位置上的正確點，關鍵要素的位置必須用與數控程序相同的基準框架來表達。
SOMaC系統的進一步要素提供于我們的論文“數控機械的光學末端控制”，美國汽車工程師學會學報97MP-12,1997年6月4日，其在此引用作為參考文獻。
圖9是一幅典型的直方圖，描述SOMaC控制能提供的孔位置實際測量的準確度和精確度(可重復性)，該圖沿坐標(X軸)繪出孔的真實位置自預定位置的偏差及在SOMaC控制下用一臺立柱式銑床鉆出的197個直徑0.3275英寸的孔中具有那樣精度的孔數的頻度(Y軸)。孔的位置是用Valisys檢驗分析工具確定的，偏離在0.0至0.001英寸的孔按0.001計數，偏離在0.0011至0.002英寸的孔按0.002英寸偏離計數，依此類推到整個范圍，真實位置對預定設計位置偏差的平均誤差只有0.004英寸(徑向定位誤差僅0.002英寸)，位置偏離的標準偏差為0.002英寸。這些孔是用“加工規范”工作法鉆的，這種分布以及通常用SOMaC獲得結果都緊緊圍繞著平均值，顯示了一個良好控制的過程，具有高可靠性、可重復性及置信度。與傳統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與工件間的偏差，要素尤其是坐標孔始終在工件處于更靠近其預定(設計)位置的地方。對易變性的控制極大地簡化了裝配，而且用這樣的做法，SOMaC獲得了顯著的成本節約。
SOMaC在機翼和機身組件制造上的應用宣告了一臺自動化激光引導鉆床的首次工業應用，來自激光跟蹤儀實時位置測量值的自動數據反饋借助于位置調整指令將鉆頭引導到更靠近設計預定的真實位置處，孔被鉆在工程技術條件的0.007英寸允差之內，其位置、大小和深度都得到精確的控制，每個機翼上大約鉆7000個孔用于裝蒙皮、機身、構架、減阻裝置及檢修孔。SOMaC取消了對昂貴夾具的獲取，否則對這項任務來說夾具是必不可少的。SOMaC生產出高質量的工件并消除了通常與手動鉆孔有關的費錢的返工，精確鉆孔生產出始終一致的、精確的沉頭孔并允許較小的邊緣余量允差能減少飛行器的重量而提高飛行器的性能。
SOMaC更宜于在機器停止時進行跟蹤儀測量，過去尚未對靜態的和動態的機器工序作出區分，并且妨礙了推廣應用三維激光系統末端控制。靜態加工工序(例如鉆削、檢測、鏜削、鉚接、以及沉頭等)要求機器變為靜止以后才執行工序，例如，一臺鉆床準備鉆一個孔時，它首先把鉆頭預置到孔位置的上方，然后當運動真正停止時，機器才把鉆頭沿一條軸線移動。靜態加工工序包括鉆削(及其相關的工序)、點焊、開始加工工件之前的刀具初始定位、以及同類的工序。動態加工工序以連續方式沿多條軸線移動，驅動刀具沿一條編程的路徑通過工件。
盡管我們描述了優選實施例，本領域技術人員會很容易地認識那些無須離開本發明概念就可以作出的改造、變更和修改，因此根據本發明，在普通技術人員所知曉的全部等效物的支持下，可自由地解釋權利要求。用實例解說了本發明，但并不意味著限制它，相應地，考慮到相關的現有技術，用權利要求來定義本發明，并僅在必要時限定權利要求。
權利要求
1．一種改進工件制造精度的方法，包括下列步驟在以來源于工件數字定義的機器控制程序指令機器制造工件的機器控制器中，用根據工件、組件或相關夾具上關鍵要素在加工機器上的這一工件時的實際位置變化測量值得到的結構標尺來標度一個指定的位置。
2．根據權利要求1的方法，其中對指定位置的標度包括用當工件、機器或工廠工作空間的實際溫度對設置點溫度的偏離達到預定閾值時計算出的溫度效應標尺來調整來源于工件數字定義的機器控制程序。
3．根據權利要求2的方法，其中標度包括每當工件、機器或工廠工作空間的溫度變化達到預定的增量時，計算一個溫度效應標度因子。
4．根據權利要求1、2或3的改進機器精度的方法，進一步包括下列步驟(a)根據從機床所加工工件或組件的數字定義產生的指令，把一臺具有末端作用器的機床驅動到一個初始指定位置；(b)當機床停止在初始指定位置時精確測量末端作用器的位置；(c)將測得的位置與初始指定位置進行比較；(d)如果實測位置與指定位置間的差別超過了預定的閾值，向機床發送增量修正指令以調整末端作用器的位置；(e)可選地，為溫度效應標度指定位置，其用根據加工中工件實際尺寸的測量值得到的標度因子從數字定義導出；(f)可選地，標度指定位置，其用根據工件、組件或相關夾具關鍵要素的位置變化的測量值得到的結構標尺從數字定義導出，并且相應于結構標尺調整增量修正指令；以及(g)可選地，用一裝在機器上并由來源于工件數字定義的機器指令引導到一個機器指令位置上的檢驗探頭測量被加工工件，檢驗包括測量一組檢驗要素，進行測量以驗收該工件，借助于向機器提供增量修正指令來加強測量以增加其精度，增量修正指令來源于比較探頭真實位置的測量值和機器指定位置。
5．根據權利要求4的方法，其中位置測量用光學的方法來完成。
6．根據權利要求4或5的方法，進一步包括下列步驟(ⅰ)在完成權利要求4的步驟(a)至(f)后，用機床在工件上鉆第一個孔；(ⅱ)重復權利要求4的步驟(a)至(f)，把機床移到第二個指定位置；以及(ⅲ)在第二個指定位置上用機床在工件上鉆第二個孔。
7．根據權利要求4、5、或6的方法，其中增量修正指令是機器程序的位置調整語句。
8．根據權利要求4、5、6或7的方法，其中末端作用器位置的測量包括用一臺獨立的測量裝置查詢機器上至少一個定向反射器。
9．根據權利要求4、5、6、7、或8的方法，其中為溫度效應標度指定位置包括下列步驟(a)測量一個工件的尺寸作為初始基準；(b)復測該工件的尺寸；(c)比較復測值和初始基準以計算一個標度因子；以及(d)根據該標度因子調整指定位置或數字數據集說明。
10．根據權利要求9的方法，其中標度因子是復測值與初始基準之比。
11．可用權利要求6、7、8、9或10的方法獲得的精確鉆孔的工件。
12．一臺具有改進的定位精度的機床系統，包括(a)一臺機床，包括一個末端作用器，適用于一道工件加工工序；(b)一個和機床連在一起的機器控制器，通過來源于工件工程圖或數字數據集說明的位置控制程序指示機床移動到一個指定位置；(c)至少一個為測量末端作用器的真實位置而設的獨立測量系統；(d)一個計算系統，用于將測量系統來的末端作用器實測位置與指定位置比較，以及用于向機器控制器提供調整信號以抵消指定位置與實測位置間的差別；以及(e)可選地，為那些影響工件大小和方向的、隨時間變化的工廠條件而調整來源于工件的數字數據集說明的指定位置的裝置。
13．信息存儲程序，包括將計算機可讀的信息存儲起來的計算機軟件存儲程序，以根據機床末端作用器的實測位置與工件的數字數據集說明的比較向機器控制器提供重新定位指令。
14．一種修改代表工件結構的機器程序空間規格，以補償工件在工廠里制造時的變化的方法，包括下列步驟(a)在足夠多的位置測量工件以識別第一個數字說明中的實際結構；(b)復測工件以產生工件的第二個數字說明；(c)將第二個數字說明與第一個數字說明比較，以確定標度因子；以及(d)按照標度因子調整機器程序。
15．根據權利要求14的一種方法，用以補償設計溫度與工件、機器、或制造工作單元實際溫度之間的溫度差別，包括下列步驟(a)創建一個計算機可讀的、表示基準溫度下工件預定結構的數據集說明；(b)在按工廠溫度變化達到預定的增量而選定的間隔上，在足夠多的位置測量制造工作單元中的工件以識別由工廠條件引起的工件大小和方向的相對變化；以及(c)用復測值與基準測量值之比調整機器程序或數字定義。
16．根據權利要求14或15的方法，其中工件測量包括下列步驟(ⅰ)在工件上選定位置放置至少3個基準要素；(ⅱ)用激光干涉儀測量每個基準要素的位置并將位置數據存儲在計算機存儲器中；以及(ⅲ)按照基準要素的位置數據確定基準平面和坐標系統，以定義基準要素的相對位置。
17．根據權利要求14、15或16的方法，其中標度因子是一個一階修正，它沿直角坐標系統的任意軸以一個共同的標尺改變尺寸，所以該標度假定工件是各相同性的。
18．信息存儲程序，包括將計算機可讀的信息存儲起來的計算機存儲程序，以按照權利要求14、15、16或17的方法確定標度因子。
19．一種借助于測量產品在檢驗儀器內的要素的驗收方法，包括下列步驟(a)將一個測量探頭置于機器的轉軸上；(b)用探頭按照一種檢驗順序測量工件上所選檢驗要素作為一組檢驗值，該檢驗順序來源于產品數字定義規定的預定產品結構；以及(c)按數字定義中的規定標度預定的產品結構，用以按照工廠條件變化引起的檢驗儀器內產品的實際結構變化測量值調整要素的相對大小和位置。
20．根據權利要求19的方法，其中在步驟(a)至(c)做完后再將產品從與制造產品有關的制造夾具和制造機器上取下。
21．根據權利要求19或20的方法，其中的機器是一臺立柱式銑床或龍門式銑床，用一臺與機器相關以修正機器和工廠定位誤差的激光測量裝置提供的機器控制增強來提高其精度。
22．根據權利要求19、20或21的方法，其中測量探頭是一個在測量步驟中與工件物理接觸的接觸探頭。
23．根據權利要求19、20、21或22的方法，其中測量探頭是一個激光探頭。
24．根據權利要求19、20、21、22或23的方法，其中標度步驟包括為溫度影響對指定位置進行標度，其中溫度影響是用根據工作空間實際溫度對理論設計規范的偏差得出的溫度影響標尺從數字定義所導出的，以及相應于溫度影響標尺調整增量修正指令。
25．根據權利要求19、20、21、22、23、或24的方法，其中所述標度包括根據工件、組件或相關夾具上關鍵要素位置的變化測量值用結構標尺對從數字定義所導出的指定位置進行標度，以及相應于結構標尺調整增量修正指令。
26．根據權利要求25的方法，其中的標度借助于用一臺絕對半徑激光測量系統測量工件上一組檢驗目標的位置來考慮工件的轉動、平移、膨脹或其它變化，并且相對于實測位置的變化來標度指定位置。
27．一種改進機器精度的方法，包括下列步驟(a)用來源于工件工程技術說明的機器程序將機器移動到一個初始加工位；(b)用一臺獨立的高精度測量裝置測量位于初始加工位的機器的真實位置；(c)將真實位置與初始加工位的位置的工程技術說明相比較；以及(d)如果真實位置和初始加工位的比較差別超過了預定的偏離閾值，向機器送進增量修正指令以修正其位置。
28．信息存儲程序，包括存儲計算機可讀信息的計算機軟件存儲程序，當機器控制器控制下的機床真實位置和機器控制器遵照來源于工件的工程技術說明的機器程序要將機床放置的位置之間的比較差別超過了預定的偏離閾值時，在機器程序中向機器控制器提供增量修正指令。
29．一種提高機床定位精度的機床系統，包括(a)一臺具有一臺機床和一個機器控制器的機器；以及(b)與機器控制器相連的用于執行權利要求13、18或28的信息存儲程序的裝置。
30．根據權利要求1、2、或4的方法，其中所述方法用于工件的產品驗收檢驗，而末端作用器裝有一個檢驗探頭。
31．一種修改預定的機器路徑以相對于機器為工件的實際方向修正路徑的方法，包括下列步驟(a)測量工件上的至少3個目標；(b)測量機器上的至少3個目標；(c)根據步驟(a)和(b)的測量值將機器引導到工件上的正確位置，正確位置來源于工件的工程技術說明；以及(d)視其必要性重復步驟(a)、(b)和(c)，以保持路徑的精度。
32．一種改進機器精度的方法，包括下述步驟當機器控制器控制下的機床真實位置和機器控制器遵照來源于工件的工程技術說明的機器程序要將機床放置的位置之間的比較差別超過了預定的偏離閾值時，在機器程序中向機器控制器提供增量修正指令。
33．根據權利要求32的一種改進機器精度的方法，包括下列步驟(a)用來源于工件工程技術說明的機器程序移動機床；(b)獨立地測量機床的真實位置；以及(c)根據真實位置和機器程序預定的位置的比較差別向機床發送位置調整指令。
34．一臺具有改進的精度的機床系統，包括(a)使用源于工件工程技術說明的機器程序移動機床的裝置，包括一個機器控制器，(b)獨立測量機床真實位置的裝置，以及(c)根據真實位置和機器程序預定的位置的比較差別向機器控制器送進位置調整指令的裝置，包括一個處理器。
全文摘要
大型機器,特別是那些工作輪廓超過15英尺的,由于熱膨脹和軸線間的機械偏斜而表現出不可接受的誤差。傳統上借助于將機器置于一溫控環境中,或精心校正,或在每條軸線上安裝激光干涉儀,來使這種誤差變為最小,這些解決辦法都很昂貴,可能需要頻繁的校正,且不能修正因磨損等造成的一根軸相對于另一根軸的少量旋轉。本發明采用一個激光干涉跟蹤儀或一個可比較的三維位置傳感器來測量裝在末端作用器上的定向反射器的位置,例如在機器停止時機器的頭部。一臺計算機把實測的位置與根據機器程序所需要的位置進行比較,并在機器進一步加工之前用徐徐送進程序語句加上適當的修正量,將機器移動到正確的位置上。
文檔編號G05B19/18GK1221500SQ97195240
公開日1999年6月30日 申請日期1997年6月3日 優先權日1996年6月6日
發明者托馬斯·A·格林伍德, 托馬斯·W·帕斯圖薩克 申請人:波音公司