專利名稱：通信方法以及使控制器和精密測量裝置互連的公共控制總線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密測量工具，尤其涉及一種在主機和精密測量裝置之間的共享控制總線。
背景技術：
精密測量工具包括坐標測量機(CMM)、精密測量儀器等等。CMM的范圍從置于臺頂且用鉸鏈連接的臂式手動CMM到高速DCC掃描機、門形構架、車間測量機器人和用具有支持網絡的計量軟件、探測器和輔助設備完成的水平臂CMM。
例如，圖1示出根據現有技術的垂直CMM形式的精密測量裝置10。這個裝置包括固定平臺12和安裝在其上的主或者第一可移動部分14。在圖示垂直CMM的情況下，第一可移動部分14采用橋的形式跨接平臺12。在這樣的水平CMM的其它配置中，第一可移動部分典型的采用另外一種例如僅僅是垂直柱的形式。無論如何，對于所示垂直CMM的情況，致動器或者裝配在平臺12上或者裝配在橋14上，用來使橋14沿著軸(例如與平臺12的一個邊平行的軸15)相對于平臺移動。橋14也可以典型的具有一個或者多個其他的可移動部分，例如通過安裝在支撐架16本身或者安裝在橋14上的相應的致動器操縱的第二可移動部分或者支撐架16。支撐架16可以沿著例如垂直于軸15的軸17移動。這些支撐架16中的一個具有安裝在其上的探測器18，其用來沿著位于平臺上的目標的表面移動。探測器軸19可以垂直于軸15、17并且支撐架16可以通過相關的致動器沿著軸19移動。不同的致動器執行所述至少一個支撐架16和橋14的被控移動，使探測器相對于被測目標的表面沿著預先計劃的路線移動。具有許多與支撐架16、橋14和平臺12相關的位置傳感器用來檢測橋相對于平臺的位置以及支撐架16相對于橋的位置，用來提供具有其幅度指示的信號。同樣，探測器18與一個位置傳感器相關聯，該位置傳感器提供具有指示相對于支撐架16，例如沿著探測器或者支撐架的軸19的探測器18的尖端位置的幅度的信號。
可以執行不同的坐標轉換以將探測器的位置轉換成被測目標的表面圖。當然，由于存儲在具有顯示器24和例如鍵盤和/或鼠標的用戶輸入裝置26的主機CPU 22中的CAD程序或者類似的程序，目標物體的表面在很大程度上已經預先知道。使用者將使用軟件接口程序，利用待測目標的預先存在的CAD表示來建立預先計劃的路線，探測器20沿著該路線移動。目的是非常精確的測量目標的表面。這種主機CPU可以直接連接到精密測量裝置上，或者通過包含繼電器、電源和通常不會在主機CPU中出現、而最好與精密測量裝置10分開設置的其他硬件的控制器28連接到精密測量裝置上。這種控制器可以通過RS232接口32、一個或者多個包括以太網連接34和/或通過參考數字30表示的任何普遍的連接的雙絞線連接到主機CPU22上。使控制器與精密測量裝置10分離的缺點之一在于不得不利用大量的導線36將控制器和精密測量裝置10連接在一起，尤其是橋或者其他等效的第一可移動部分。在一個典型的例子中，可能具有安裝在精密測量裝置上的大量溫度傳感器，如圖所示其必須通過多達20條導線與控制器28相連。同樣地，其他類型的裝置例如多個電動機、伺服器、編碼器、探測器以及開關都可以與精密測量裝置關聯，并且需要通過導線的方式與控制器28進行電連接。同樣，在控制器28中的電源不得不在附加導線上提供功率，這些導線對于精密測量裝置10來說具有相當大尺寸。所有的這些導線合計為巨大的數目。在顯示的例子中，需要導線的總數為113。這些導線很沉重，且不得不將其封進稱為動力軌道(energy track)的軟導管中，其中能量軌道設計成當橋14相對于平臺12移動時平滑地展開和卷起導線。這個能量軌道通常定位于平臺12的一側上第一可移動部分14的一端，在該例中第一可移動部分是橋14。
考慮到以下事實，大量的導線會造成重大的電纜牽引問題因為即使由這種牽引在橋中引起的非常輕微的扭曲也將引起理想系統的數學模型的變形，其變形程度在測量中引入重大的不精確性。還有一種情況是，控制器28本身在現有技術中典型地根據很過時的總線體系結構(ISA)設計，因此也需要改進控制器本身。另外一個問題是限制的伺服特性，也需要改進。
發明內容
本發明的一個目的就是為了減少在控制器或者主機與精密測量裝置之間的動力軌道中的電纜牽引。
本發明的另外一個目的是改進伺服特性并且提供新型的總線體系結構。
根據本發明的第一個方面，提供一種裝置，包括(1)精密測量工具，其具有固定平臺和用來沿著定位于該平臺上的目標的表面移動一個探測器的第一可移動部分，其中用于移動所述第一可移動部分的一個致動器安裝在所述平臺或者第一可移動部分上，且多個致動器安裝在所述第一可移動部分上用來移動所述探測器，(2)安裝在所述平臺和所述第一可移動部分上的多個位置傳感器，用來提供具有共同指示所述表面上的所述探測器的位置的幅度的感應位置信號，以及(3)通過信號線束與所述測量工具物理連接的控制器，其用來將致動器控制信號從控制器傳遞到致動器中并且將感應位置信號從位置傳感器傳遞到控制器中，其中這個裝置的特征在于，所述信號線束包括由感應的位置信號和致動器控制信號共享的公共總線。
根據本發明的第二個方面，用于在控制器和探測器之間傳遞控制和數據信號的方法，其中探測器可以沿著一個目標的表面移動以便與安裝在測量裝置的平臺部分上的目標的表面建立物理接觸，并且其中所述探測器可通過測量裝置的第一可移動部分使移動，這種方法包括步驟(1)利用使所述的控制器和多個模塊相互連接的公共控制總線在所述的公共控制總線上傳遞所述的控制和數據信號，這些模塊包括裝配在所述第一可移動部分上的模塊，(2)通過所述公共控制總線從所述控制器發送命令信號，由多個致動器用來驅動對應的制動器，以便根所述命令信號在多個軸上移動所述第一可移動部分，從而在所述表面上沿著一條路線移動持續地與所述表面接觸的所述探測器，以提供一個數據信號給一個探測器模塊，該信號地幅度指示所述探測器在所述目標的表面上沿所述路線的選定點與所述表面接觸，(3)從相應的多個位置傳感器模塊提供多個感應的位置信號，所述多個感應的位置信號具有指示沿著所述探測器移動的所述多個軸中相應的軸被所述探測器接觸的所述點的位置的幅度，以及(4)通過所述的公共控制總線從所述的探測器模塊和所述的位置傳感器模塊將所述的數據信號和所述的感應位置信號傳遞到所述總線，由所述的控制器在記錄所述的感應數據信號時使用。
根據本發明的第三個方面，一種裝置，包括(1)一個平臺，用來支承固定在其上的目標，以測量該目標的表面，(2)一個探測器，用于沿著目標表面上的路線在多個軸上移動，以提供具有指示與所述表面物理接觸以及沿著所述探測器的軸的所述路線的所述點的位置的幅度的感應信號，(3)能夠在所述的平臺上移動的第一可移動部分，以沿著所述路線上的所述多個軸中的至少一個移動所述的探測器，(4)響應于所述感應信號的探測器模塊，其用來根據預選的協議將所述的感應信號提供給一條共享總線，(5)包括安裝在所述第一可移動部分上的相應的多個探測致動器的多個致動器模塊，其響應于根據所述協議在所述共享總線上提供的相應的探測致動器控制信號，用來沿著所述路線移動在所述第一可移動部分上的所述探測器，(6)至少一個第一可移動部分致動器，響應于第一可移動部分致動器信號，其用來移動在所述平臺上的第一可移動部分，以沿著所述路線的所述多個軸的至少一個移動所述探測器，(7)與相應的多個位置傳感器連接的多個位置傳感器模塊，其用來根據所述協議在所述的共享總線上提供具有這樣幅度的感應位置信號，這個幅度指示出在所述的探測器沿著所述路線移動期間所述的探測器接觸的所述點的位置，以及(8)用來執行存儲的程序的控制器，該程序用來提供所述的相應探測致動器控制信號和所述第一可移動部分致動器信號，并且根據所述預選協議響應于所述共享總線上的所述感應位置信號以存儲所述感應信號，這些信號一起表示出所述表面的拓撲圖。
進一步根據本發明的第一、第二和第三方面，在所述總線上提供感應位置信號用來與相應的一個或者多個致動器控制信號相對比。
進一步根據本發明的第一、第二和第三方面，所述共享總線包括發送線路和接收線路。發送線路和接收線路的互聯至少一部分是通過光纖實現的。
再進一步根據本發明的第一、第二和第三方面，所述共享總線進一步包括一個同步線路。
有利地，可以大量減少電纜線路，同時測量性能提高。利用包括光纖、分布式的/模塊化的控制和數字信號處理的技術概念狀態導致服務費用的降低。本發明除描述的之外還具有在其他類型的機器上的潛在應用。
本發明的這些以及其他目的、特點和優點將根據下面的附圖闡明的最佳模式實施例的詳細說明變得更加明顯。
圖1顯示了現有技術的通過大量的導線互連的控制器和主機控制的精密測量裝置。
圖2顯示了根據本發明的原理利用公共或者共享控制總線與主機互連的精密測量裝置。
圖3顯示了根據本發明的通過光纖與精密測量裝置連接的圖2的主機的示意性方框圖，其詳細地顯示了一個模塊。
具體實施例方式
現在參照圖2，顯示了精密測量裝置40，其具有平臺42、第一可移動部分44(在該例中為橋44)、一個或者多個支撐架46和探測器48。沒有示出但是安裝在精密測量裝置40上面或內部的各種模塊，例如用來分別與一個或者多個致動器電動機連接的三個電動機模塊、用來分別與一個或者多個編碼器連接的三個編碼器模塊、用來與探測器48相連的探測模塊、用來與一個或者多個限位開關連接的限位開關模塊以及用來與一個或者多個溫度探測器連接的溫度模塊。這些模塊可以如圖所示利用標準總線如已知或習慣的串行網絡總線例如CNN(控制域網絡)總線或者通過非標準總線互連。CAN是根據ISO11898具有多主控性能的已知的串行總線系統。利用共享或者公共總線允許在裝置40和主機52之間的互連50所需要的信號線數目較大的減少。雖然用于從電源54提供功率到裝置40的輸電線將保持一樣，例如由線56所示的四根輸電線，但是在圖1的線束36中需要的100多根導線已經減少了，例如減少到了僅僅剩下三根信號線58。如圖所示這些線可以是電線或者光纖。信號線50能夠如圖所示與主機和電源連接或者僅僅與主機連接。當然，如果使用光纖，必須具有在圖2中沒有示出的光-電轉換和電-光轉換接口。這樣，在動力軌道內攜帶的重量由于信號線的減少而減少，并且因此，通過減少當橋相對于平臺移動時由在能量軌道中纏繞的和非纏繞導線引起的重量分布的改變造成的任何扭曲改進了精密測量本身的精確度。
現在參照圖3，圖2中的主機和一個模塊的細節和共享總線一起示出，在該例中一部分是電的，一部分是光學的。如結合圖2所提到的，精密測量裝置40包括多個模塊60，…，62，每個模塊與至少一個設備64，…，66相連接，這些設備可以是例如電動機、伺服器、編碼器、探測器、限位開關或者溫度傳感器。不管設備的性質怎么樣，其都能夠與總線控制器(B.C.)，例如在圖3的模塊60中所示的總線控制器68相連接。圖示出連接線70用來互連總線控制器68和設備64，但是這種線可以包括到一個或者多個設備的多條線，并且在性質上可以是單向的或者是雙向的。總線控制器響應于線72上來自同步總線74—在該例中為分離的同步總線的同步信號。由于系統的同步和定時的重要性，在本例中使其為分離的。然而，我們還要意識到下面將要說明的在共享傳輸和/或接收信號線上的同步信號可以是時間多路復用的。
正如大家知道的象CAN協議的某個共享或者公共的總線協議，當數據傳送時，沒有站被尋址，而是通過在整個因特網中唯一的標記來識別消息的內容。這個標記不僅限定了內容而且限定了在相互競爭的工作站中對于總線地址分配非常重要的消息的優先級。圖3中的每個模塊60，…，62中的每個總線控制器將包括與公共接收總線(RX)連接的接收端口和與公共發送總線(TX)連接的發送端口。這些公共或者共享的接收和發送總線76、78在精密測量裝置40和主機22中的所有模塊60，…，62中共享。
如圖所示，根據本發明，雖然每個模塊的內部典型的涉及利用互連線70、72、74、76、78實現電連接，但這些模塊將包含用來將電信號轉換成光信號的電-光轉換器80、82、84和用來將接收的光信號轉換成電信號的光-電轉換器86、88、90。同樣，主機22具有包括用于相同目的的光-電轉換器92、94和電-光轉換器96的多個轉換器。這樣，公共電總線能夠通過利用光纖沿著其長度擴展的方式來共享，因此能夠減小其整體的電磁干擾(EMI)敏感性。這在動力軌道98和在模塊60，…，62之間的互連中尤其有用。這樣，不僅信號束的重量和尺寸減小了，而且系統的EMI的整體敏感性也減小了。
現在參照圖2和3，我們將認識到設備64，…，66包括上面提及的多個電動機、編碼器、探測器、限位開關、溫度傳感器、伺服器等等，并且與圖3所示的各個模塊60，…，62連接。其中存在安裝在平臺和橋上的多個位置傳感器，用來提供具有幅度的感應位置信號，這些幅度一起指示出探測器48在被測量的表面上位置。這些感應位置信號在發送線路78上提供給主機22用來在那里進行處理。主機在發送線路78上給各種模塊提供致動器控制信號，這些模塊根據使用的協議例如適合將這種模塊以及傳感器和致動器的連網的CAN總線系統解釋信號以確定這些信號是否與連接它們的致動器相關聯。因此，如圖所示，利用使主機和多個模塊互連的公共控制總線來傳遞控制和數據信號，用于驅動各個制動器來相對于平臺移動橋部分和相對于橋44移動支撐架部分46，并且利用其接收來自相應的多個位置傳感器的感應位置信號，該感應位置信號具有共同指示出探測器48沿著探測器移動的多個軸中的相應的軸移動所接觸的點的位置的幅度。最后為了記錄表示被測目標物體表面的拓撲圖的目的，將這些感應的數據信號在公共總線上從相關聯的一個模塊或者多個模塊傳送到主機上。
上述用結合垂直坐標測量機(CMM)敘述的本發明的原理也可以應用到包括已知的門形結構CMM、車間CMM薄壁、車間CMM棱柱等等CMM的其他類型中，也可以應用到其他的具有相同問題的精密測量裝置或者工具中。
雖然本發明已經結合了其最優模式實施例進行了顯示和說明，但是對于本領域的那些技術人員來說，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下在形式和細節上對前述的內容進行不同的其他的變化、刪除和增加是可以理解的。
權利要求
1.一種裝置，包括精密測量工具，其包括固定平臺和用來沿著位于該平臺上的一個目標的表面移動一個探測器的可移動部分，其中將用來移動所述可移動部分的一個致動器裝配在所述的平臺或者可移動部分上，并且將多個致動器裝配在所述的可移動部分上以移動所述的探測器；多個位置傳感器，其裝配在所述的平臺和所述的可移動部分上用來提供感應位置信號，該感應位置信號的幅度一起指示出所述探測器在所述表面上的位置；以及控制器，其通過信號線束與所述測量工具物理連接在一起，這些信號線束用來將來自控制器的致動器控制信號傳遞到致動器中并且將來自位置傳感器的感應位置信號傳遞到控制器中，所述信號線束與所述可移動部分分開，能夠在可移動部分移動所述探測器時卷起和展開，其特征在于這些信號線束包括由所述感應位置信號和致動器控制信號共享的公共總線，以便減小在所述探測器移動期間所述信號線束卷起和展開時由所述信號線束的牽引所引起的所述可移動部分相對于所述固定平臺的扭曲。
2.根據權利要求1的裝置，其特征在于用來傳遞所述致動器控制信號和感應位置信號的信號線束包括光纖。
3.根據權利要求1的裝置，其特征在于所述公共總線包括發送線路和接收線路。
4.根據權利要求3的裝置，其特征在于所述公共總線進一步包括同步線路。
5.根據權利要求4的裝置，其特征在于包括所述發送線路、接收線路以及同步線路的所述信號線束是光纖線路。
6.一種用于在控制器和探測器之間的信號線束中傳遞控制和數據信號的方法，其中所述探測器可以沿著一個目標的表面移動以便與裝配在測量裝置的平臺部分上的所述目標的表面物理接觸，并且其中所述探測器可以通過所述測量裝置的一部分移動，所述信號線束能夠在探測器移動時卷起和展開，所述的方法包括步驟利用使所述的控制器和包括裝配在所述部分上的模塊的多個模塊互連的公共控制總線來在所述公共控制總線上傳遞所述的控制和數據信號，該傳遞通過下面的步驟完成，即在所述的公共控制總線上傳輸來自所述的控制器的命令信號，由多個致動器模塊用來驅動對應的致動器，以便根據所述命令信號在多個軸上移動所述部分和所述探測器，從而在所述表面上沿著一條路線移動持續地與所述表面接觸的所述探測器，以提供一個數據信號給一個探測器模塊，該信號的幅度指示所述探測器在所述目標的表面上沿所述路線的選定點與所述表面接觸，從相應的多個位置傳感器模塊提供多個感應位置信號，所述多個感應位置信號具有指示出由所述探測器沿著所述探測器移動的所述多個軸中相應的軸接觸的所述點的位置的幅度，以及在所述公共控制總線上從所述探測器模塊和所述位置傳感器模塊中將所述的數據信號和所述的感應位置信號傳遞到所述的控制器在記錄所述的感應數據信號時使用的所述總線上，其中在所述信號線束中使用所述公共總線，而不是單獨的信號線，以便減小當所述信號線束卷起和展開時由牽引所引起的所述可移動部分相對于所述平臺的扭曲。
7.根據權利要求6的方法，進一步包括在所述探測器的所述移動的閉環控制中使用所述的感應位置信號的步驟。
8.根據權利要求6的方法，其中所述的公共控制總線包括發送線路和接收線路。
9.根據權利要求8的方法，其中在所述模塊和所述控制器之間的所述發送線路和所述接收線路的互連是通過光纖實現的。
10.根據權利要求6的方法，其中在所述模塊和所述控制器之間的互連是通過光纖實現的。
11.根據權利要求8的方法，其中所述的公共控制總線進一步包括同步線路。
12.根據權利要求9的方法，其中所述公共控制總線進一步包括同步線路，并且在所述的模塊和所述的控制器之間的所述同步線路的互連是通過光纖實現的。
13.一種裝置，包括平臺，其用來支承安裝在其上的目標，用以測量該目標的表面；探測器，其用來沿著所述目標的表面上的一條路線的多個軸移動，用來提供具有幅度的感應信號，這個幅度指示出所述探測器與所述表面物理接觸和沿著所述探測器一個軸的所述路線的所述點的位置；在所述的平臺上的可移動部分，以沿著所述路線并且沿著所述多個軸的至少一個移動所述的探測器；探測器模塊，響應于所述的感應信號來根據預選的協議將所述感應信號提供給一條共享總線；包括安裝在所述可移動部分上的相應的多個探測器致動器的多個致動器模塊，響應于在所述共享總線上的根據所述協議提供的相應的探測器致動器控制信號，用來沿著所述的路線在所述可移動部分上移動所述探測器；至少一個可移動部分致動器，響應于一個可移動部分致動器信號來移動在所述平臺上的所述可移動部分，以沿著所述路線在所述多個軸的所述至少一個上移動所述探測器；與相應的多個位置傳感器連接的多個位置傳感器模塊，其用來根據所述的協議在所述的共享總線上提供具有幅度的感應位置信號，所述幅度指示出在所述的探測器沿著所述路線移動期間所述的探測器接觸的所述點的位置；以及用來執行存儲的程序的控制器，其用來提供所述的相應的探測器致動器控制信號和所述可移動部分致動器信號并且根據所述預選的協議響應于在所述共享總線上的所述感應位置信號以存儲所述感應信號，這些感應信號一起表示出所述表面的拓撲圖，其中所述共享總線被提供在與所述可移動部分分開的信號線束中，能夠在可移動部分移動所述探測器時卷起和展開，以便減小在探測器移動期間信號線束卷起和展開時由牽引所引起的所述可移動部分相對于所述平臺的扭曲。
14.根據權利要求13的裝置，其中所述控制器響應根據所述預選的協議在所述共享總線上提供的所述感應位置信號，用于與對應的一個或多個所述探測器致動器控制信號比較，以提供一個或多個對應的誤差信號給所述多個探測器致動器中的一個或多個。
15.根據權利要求13的裝置，其中所述共享總線包括發送線路和接收線路。
16.根據權利要求15的裝置，其中所述探測器模塊、所述致動器模塊、所述位置傳感器模塊、和所述控制器之間的所述發送線路和接收線路的互連由光纖實現。
17.根據權利要求13的裝置，其中所述共享總線的一部分包括互連所述探測器模塊、所述致動器模塊、和所述控制器的光纖。
18.根據權利要求15的裝置，其中所述共享總線還包括同步線路。
19.根據權利要求16的裝置，其中所述共享總線還包括同步線路，且所述模塊與所述控制器之間的所述同步線路的互連由光纖實現。
全文摘要
將主機和/或控制器與精密測量裝置互連的導線的數目和重量能夠通過利用公共或者共享總線而減少。總線可以完全是電線或者可以包括光纖以減少EMI敏感性?？梢允褂猛ㄓ每偩€或者已知的串行網絡總線，例如CAN或者SIRCOS。
文檔編號G01B21/00GK101093162SQ200710111938
公開日2007年12月26日 申請日期2002年6月11日 優先權日2001年6月12日
發明者G·W·拉塞爾 申請人:六邊形度量衡股份公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
