專利名稱：機床校準方法
技術領域：
本發明涉及機床校準，具體來說，涉及機床校準或者校準檢查時使用的方法，所述機床采用包括至少第一和第二校準物體的校準設備。
背景技術：
計算機數控(CNC)機床為人所熟知，并且用于廣泛的制造工業中。現在，這些機床通常包括心軸或者由回轉頭部攜帶的銑刀和/或用來保持工件的多軸旋轉工作臺。這種機床在計算機控制下的操作允許利用全部自動化的工藝加工復雜的零件。這種機床越來越多地與測量探頭一起使用，以允許自動檢查切削出的零件。在需要測量循環時，測量探頭通常裝載到機床的心軸中，然后由機床相對于工件移動，以允許測量工件表面上的多個點。雖然機床通常在其制造過程中由技術人員手動預先校準，但是這一過程耗費時間并且容易產生人為誤差。而且終端使用者也希望執行額外的自動化校準過程。在利用機床實施高精度加工和/或測量循環時，尤其面臨這種情況。采用測量探頭的機床校準過程的示例在W02007/068912中存在概述。具體來說， W02007/068912所概述的各種方法允許通過在兩個或更多個不同的旋轉取向下，測量特征件(諸如校準球體)的位置來建立一個或多個旋轉軸。這種過程可以用來找到例如心軸中心線和/或回轉頭部或者回轉工作臺機床的軸線或旋轉軸的位置。以前還在EP1696^9中描述了如何通過比較測得的球體中心的位置與機床控制器計算的名義球體中心的位置來建立與機床運動有關的定位誤差。具體來說，EP1696289描述了將尺度已知的單一測量球體安裝到機床的旋轉工作臺。利用測量探頭測量球體表面上的多個點，由此確定球體中心的位置。然后在控制器的控制下將旋轉工作臺轉動已知的距離。控制器根據工作臺移動的已知距離計算球體中心的新的(名義)位置。利用測量探頭重新測量球體中心的位置，并且測得的球體中心位置和名義球體中心位置之間的差值提供了定位偏差，即控制器有多精確地定義位置的量度。雖然EP1696^9中描述的方法允許評估特定的機床誤差，但是本發明的發明人發現這種方法的缺陷在于，校準球體必須精度非常高地放置在機床運動部分上的期望位置， 以便精確建立特定類型的定位誤差。具體來說，在特定的情況下，已經發現了無法正確定位球體將降低測量精度。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種在機床校準或校準檢查時使用的方法，所述機床包括相對于第二部分移動的第一部分，所述機床的所述第一部分包括校準設備，該校準設備包括至少第一校準物體和第二校準物體，所述機床的所述第二部分包括測量探頭， 其中所述方法包括步驟(i)利用所述測量探頭測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置；
(ii)利用所述步驟(i)的測量結果建立所述第一校準物體的位置和所述第二校準物體的位置；和(iii)為所述校準設備定義基準測量點，所述基準測量點相對于所述步驟(ii)中建立的所述第一校準物體的位置和所述第二校準物體的位置具有固定位置。因此，本發明包括在機床校準或校準檢查時使用的方法。應該注意，術語機床指的是加工(例如，切削和/或銑削零件)的機器，但是不包括單純實現測量功能的專用的坐標測量儀(CMM)。在實施本發明時，所述機床包括第一部分，所述第一部分包括相對于第二部分移動的校準設備，所述第二部分包括測量探頭。在下面更為詳細描述的優選實施例中，所述第一部分包括旋轉工作臺，包括第一校準球體和第二校準球體的校準設備連接到所述旋轉工作臺，在這種示例中，所述第二部分可以包括保持在所述機床的心軸中的測量探頭。在本方法的步驟(i)中，所述機床的所述第二部分的所述測量探頭用于測量所述第一校準物體的表面上的多個點或者一組點的位置，并且測量所述第二校準物體的表面上的多個點或者一組點的位置。這種測量過程可能涉及移動所述機床的所述第一部分和/或所述第二部分，以允許所述測量探頭與所述校準物體形成要求的表面感知關系。這可能例如包括將所述測量探頭的探針末端接觸所述校準設備的所述校準物體的表面上的點。在機床坐標系統中測量的所獲取的所述數組表面點用在步驟(ii)中，分別建立所述第一校準物體的位置和所述第二校準物體的位置。如果所述校準物體為球體，則可以在該步驟中利用球體最佳擬合法從所述多個表面位置測量結果確定球體中心的位置。在步驟(ii)中找到所述第一和第二校準物體的位置之后，執行步驟(iii)，其中定義基準測量點，所述基準測量點相對于所述第一和第二校準物體的位置具有固定位置。 換句話說，在局部坐標系統中，相對于所述第一和第二校準物體的測量位置定義基準測量點。該基準測量點例如可以定義為在步驟(ii)中建立的所述第一和第二校準物體的位置 (例如，球體中心)之間處于特定距離的點。在步驟(iii)中，在所述局部坐標系統中定義的所述基準測量點將因此隨著所述機床的所述第一部分在機床坐標系統中移動。利用本發明的方法找到的基準測量點可以用作機床校準或校準檢查的任何方法的一部分。例如，利用本發明的方法建立的所述基準測量點可以代替單一校準物體的測量位置，用在任何已知的校準或校準檢查方法中。根據本發明，脫離校準物體但是相對于校準物體具有已知位置，這種為校準設備建立基準測量點的能力，可以用在不同類型的校準過程中，并且具有眾多顯著優勢。具體來說，所述基準測量點可以相對于所述校準設備的所述校準物體設置在任何期望的位置。這樣做的優勢在于，允許為機床工作空間內的要求的位置找到位置或定位誤差，而不需要精確定位所述校準設備。例如，可以相對于特定平面或者在距離旋轉軸的特定半徑處確定定位誤差，正如以下更為詳細地描述。這樣允許在需要進行測量的機床區域中或者工件上的特征需要切削的機床區域中測量定位誤差。本發明的方法可以利用任何已知類型的機床來實現。優選地，所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分圍繞至少一個旋轉軸轉動。可以由包括至少一個旋轉軸的所述機床的所述第一部分和/或所述第二部分提供所述第一和第二部分之間的至少一個相對旋轉軸。所述機床的所述第一部分可以方便地包括旋轉單元，諸如旋轉工作臺、 耳軸或者托架。所述旋轉單元可以圍繞一個軸、兩個軸或者兩個以上的軸轉動。所述第二部分例如可以包括回轉頭部單元。所述回轉頭部單元可以圍繞一個軸、兩個軸或者兩個以上的軸轉動。如果所述第一部分相對于所述第二部分轉動，則所述步驟(i)中獲取的測量結果可以在所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分旋轉到第一取向的情況下方便地進行。換句話說，在獲取所述步驟(i)的測量結果的同時，所述機床的所述第一部分和所述第二部分之間的相對角度取向優選固定。所述第一和第二部分之間的非旋轉運動，例如沿著多個線性軸的相對運動，則可以在步驟(i)中用于將所述測量探頭與所述校準設備形成要求的表面感知關系，以允許測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的多個點。優選，所述方法包括步驟相對于所述機床的所述第二部分將所述機床的所述第一部分圍繞至少一個旋轉軸轉動，由此所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分放置在第二取向。然后可以利用所述測量探頭執行這樣的步驟測量所述第一校準物體和第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置。然后利用這些表面測量結果建立所述第一校準物體的新位置和所述第二校準物體的新位置。然后可以從所述第一校準物體和所述第二校準物體的所述新位置具有優勢地確定如所述步驟(iii)中定義的所述基準測量點的新位置。換句話說，所述基準測量點在局部坐標系統(即，相對于所述第一校準物體和所述第二校準物體定義的)中具有不變位置，并且在所述機床的所述第一和第二部分放置在所述第二取向的情況下，找到了其在機床坐標系統中的新位置。具有優勢的是，所述機床包括控制器。所述控制器方便地執行步驟根據所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分旋轉到所述第二取向，計算所述基準測量點的新的名義位置。所述方法優選還包括步驟將從所述第一校準物體和所述第二校準物體的所述新位置確定的所述基準測量點的所述新位置與所述控制器計算的所述基準測量點的所述新的名義位置相比較。這種比較步驟可以由所述控制器來實施。所述比較步驟可以包括計算所述基準測量點的測得的位置和所述基準測量點的名義位置之間的位置差異。 換句話說，可以比較名義(控制器預測的)基準測量點和實際(測得的)基準測量點，來建立與機床幾何缺陷、熱生長或控制器有關的定位誤差。可以計算所述名義基準測量點和所述測得的基準測量點之間的偏移向量或者合成距離作為所述定位差異。所述定位差異可以用作控制器校準精度的量度，或者可以作為用作糾正隨后的測量結果的糾正因子或者校準因子來(例如，由控制器)存儲。所述機床的所述第一部分優選相對于所述機床的所述第二部分圍繞第一旋轉軸轉動。所述機床的所述第一部分還可以相對于所述機床的所述第二部分圍繞第二旋轉軸轉動。所述方法還包括初始步驟在所述機床坐標系統中測量所述第一旋轉軸的位置和/或所述第二旋轉軸的位置。所述方法的步驟(iii)可以方便地包括定義在所述機床坐標系統中處于預定平面上的基準測量點。所述預定平面優選包含所述第一旋轉軸。具有優勢的是，將所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分放置在第二取向的步驟包括圍繞所述第二旋轉軸轉動。所述機床的所述第二旋轉軸優選與所述第一旋轉軸正交或者至少大致正交。所述第一旋轉軸可以是稱為所述機床的C軸的旋轉軸，并且所述第二旋轉軸可以是所謂的B旋轉軸。所述機床的所述第一部分和所述第二部分優選可以相對于彼此沿著多個線性軸移動。例如，所述機床可以允許所述第一部分相對于所述第二部分沿著三個相互正交的線性軸移動或者被驅動。所述方法的所述步驟(i)優選包括相對于所述機床的所述第二部分沿著多個軸線性平移所述機床的所述第一部分，以允許所述測量探頭測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的要求的多個點。所述機床的所述第一部分和所述第二部分之間的這種相對運動可以由所述第一部分沿著一個或多個軸的運動和/或所述第二部分沿著一個或者多個軸的運動來提供。在步驟(i)的過程中，在所述第二部分移動的同時，所述第一部分可以保持靜止，反之亦然。所述機床可以包括一個或者多個驅動馬達，以提供所述第一部分和/或所述第二部分的這種運動。方便的是，所述方法的所述步驟(i)可以在所述校準設備被放置于第一位置的情況下進行。換句話說，在獲取所述步驟(i)的測量結果的同時，所述機床的所述第一部分可以保持靜止在所述第一位置(例如，所述第一部分可以包括旋轉到或平移到第一位置的工作臺)。在這種例子中，步驟(i)則可以包括移動所述機床的所述第二部分，以使所述測量探頭與所述第一校準物體和所述第二校準物體形成要求的表面感知關系。所述方法則包括進一步的步驟移動所述機床的所述第一部分，以便將所述校準設備放置在第二位置，例如將工作臺轉動或移動到第二位置。然后，可以利用所述測量探頭方便地執行步驟測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置，由此可以建立所述第一校準物體的新位置和所述第二校準物體的新位置。然后，可以從所述第一校準物體和所述第二校準物體的所述新位置確定如所述步驟(iii)定義的所述基準測量點的新位置。 在這種方法中，步驟(i)優選包括沿著至少一個軸移動所述機床的所述第二部分，并且更優選沿著三個相互正交的軸移動，以允許所述測量探頭測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的所述多個點。所述第一和第二校準物體可以是任何適當形式的校準物體。所述第一和第二校準物體可以具有不同形狀或者名義上相同。每個所述校準物體例如可以包括球體、環圈、立方體、方塊、孔、凸臺等。具有優勢的是，可以通過測量每個物體上的多個點來明確地建立每個校準物體的位置。所述校準設備可以僅包括所述第一和第二校準物體。作為替代，除了所述第一和第二校準物體之外，所述校準設備可以包括一個或者多個另外的校準物體。具有優勢的是，所述第一校準物體包括第一球體。優選地，所述第二校準物體包括第二球體。所述第一球體方便地與所述第二球體隔開。在這種示例中，第一校準物體的位置可以包括第一球體的中心的位置，而第二校準物體的位置可以包括第二球體的中心的位置。換句話說，球體中心可以限定校準物體的位置。使用球體作為校準物體具有優勢，因為正如機床計量學領域的技術人員所理解的，球體中心可以從球體表面上最少數量的測量點來確定。具有優勢的是，步驟(iii)定義的基準測量點位于穿過步驟(ii)中建立的第一和第二校準物體的位置的直線上。對于包括第一和第二球體的校準設備來說，步驟(iii)定義的基準測量點因此優選位于穿過第一和第二球體的中心的直線上。定義的基準測量點可以位于穿過球體中心投射的直線上但并不位于球體中心之間的某點。具有優勢的是，定義的基準測量點位于第一和第二球體的中心之間。校準設備可以包括分開安裝在機床上的第一和第二校準物體。具有優勢的是，校準設備包括可連接到機床的基板，其中所述第一和第二校準物體附連到所述基板。優選，所述第一和第二校準物體具有相對于所述基板基本上不變的位置，即他們優選相對于彼此以及相對于基板不移動。所述校準設備例如可以包括通過兩條桿連接到基板的兩個球體。應該注意，所述第一和第二校準物體之間的間隔不需要知道或者預先校準。優選地，所述第一和第二校準物體的位置在三個維度建立。例如，每個校準物體的位置(例如球體中心的位置)可以在三個相互正交的機床軸(x、y、x)上找到。雖然物體位置優選在三個軸上定義，但是也可以僅在兩個軸上進行相同的測量。機床的第二部分優選包括(例如，攜帶)具有可偏轉的探針的接觸式測量探頭。 接觸式測量探頭可以是接觸觸發式探頭，它在超過特定的探針偏轉閾值時發出觸發信號； 或者是所謂的模擬或掃描式探頭，它輸出探針偏轉的量度。如果使用接觸觸發式探頭，則步驟(i)可以包括讓探針接觸校準物體的表面上的不同的點。如果使用模擬探頭，則步驟(i) 可以包括沿著校準物體的表面掃描測量探頭的探針。作為替代，可以讓機床攜帶非接觸式 (例如，光學、電感式、電容式)測量探頭。機床還可以包括工具自動更換系統，它允許測量探頭和切削工具自動裝載到機床的第二部分的心軸中，分別用于測量和切削循環。以上概述的方法的各個步驟可以單獨提供所需的機床校準數據，或者允許適當地檢查現有的校準數據。作為替代，以上所述方法可以簡單地用作更為復雜的機床校準或者校準檢查過程的一部分。技術人員應該明白，利用本發明的方法建立基準測量點的各種方式可以用于各種不同的校準或校準檢查流程。因此，這里描述了用于機床校準或校準檢查的方法，所述方法包括步驟(a)在機床的運動部分提供校準設備，所述校準設備包括至少第一校準物體和第二校準物體；(b) 利用所述機床攜帶的測量探頭測量所述第一和第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置，并且由此建立所述第一校準物體的位置所述第二校準物體的位置；(c)為所述校準設備定義基準測量點，所述基準測量點相對于所述步驟(b)中建立的所述第一和第二校準物體的位置具有固定位置；(d)移動所述機床的所述運動部分；(e)利用所述測量探頭測量所述第一和第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置并由此建立所述第一校準物體的新位置和所述第二校準物體的新位置；和(f)從所述步驟(e)中測得的所述第一和第二校準物體的所述新位置確定如步驟(c)中定義的所述基準測量點的新位置。這里還描述了一種用于機床校準或者校準檢查的方法，所述方法包括步驟(a) 在所述機床的運動部分上提供校準設備，所述校準設備包括至少第一校準球體和第二校準球體；(b)利用所述機床攜帶的測量探頭測量所述第一和第二校準球體每一個的表面上的多個點的位置并由此建立所述第一和第二校準球體的中心的位置；(c)為所述校準設備確定基準測量點，所述基準測量點相對于步驟(b)中建立的所述第一和第二校準球體的中心具有固定位置；(d)移動所述機床的所述運動部分；(e)利用所述測量探頭測量所述第一和第二校準球體每一個的表面上的多個點的位置并由此建立所述第一和第二校準球體的中心的新位置；和(f)從所述步驟(e)建立的所述第一和第二校準球體的中心的所述新位置確定如所述步驟(c)中定義的所述基準測量點的新位置。
僅作為示例，現在將參照附圖描述本發明，在附圖中圖1示出了具有旋轉工作臺的機床；
圖2示出了由雙軸旋轉工作臺攜帶的本發明的校準設備；圖3a和北示出了圖2的校準設備在機床坐標系統中的側視圖和俯視圖；圖4示出了在Y = O的平面上定義基準測量點；圖5示出了基準測量點相對于兩個校準球體的位置；圖6示出了工作臺和校準設備圍繞B軸轉動；圖7示出了在圖6所示的轉動之后，實際的和測得的基準測量點之間的差異；圖8示出了替代的方法，其中可以從距離旋轉軸的任意半徑上找到定位誤差；和圖9示出了圖8所示的基準測量點的測得的位置和名義位置之間的差異。
具體實施例方式參照圖1，簡略示出了具有第一部分和第二部分的機床，所述第一部分包括雙軸旋轉工作臺8，所述第二部分包括頭部單元4。應該注意，正如下面解釋，圖1中所示機床配置僅僅為本領域技術人員已知的許多不同機床配置的一種示例，并且本發明的方法可以適用于該機床配置。機床2包括頭部單元4，該頭部單元可以圍繞機床工作空間沿著相互正交的x、y和 ζ軸受到驅動。頭部4的位置通過高精度定位編碼器(未示出)測量，所述高精度定位編碼器設置在每個線性(x、y、z)機床軸上。機床2還包括雙軸旋轉工作臺8。工作臺8包括工作臺頂部10，工件或零件可以放置并固定在其上。工作臺頂部10可以依次被驅動而圍繞C 軸轉動。工作臺頂部10安裝至托架12，所述托架可以被驅動而圍繞B軸相對于機床的部分14轉動。旋轉編碼器也設置成測量B軸和C軸形成的角度。頭部4沿著x、y和ζ軸的移動以及工作臺圍繞B和C軸的轉動受到計算機數字控制器(CNC) 16的控制，計算機數字控制器16簡稱為控制器16。圖中示出圖1的頭部單元4攜帶測量探頭18，該探頭具有工件接觸探針17。測量探頭可以是接觸觸發式探頭，該探頭在探針偏轉閾值被超越時發出觸發信號，或者它可以包括模擬探頭，這種模擬探頭輸出描述探針偏轉量的數據。雖然圖中示出了接觸式測量探頭，但是應該注意也可以替代地使用非接觸式(例如，光學、電容式、電感式等)測量探頭。頭部4沿著x、y和ζ軸的運動用于將探針17帶到與安裝到工作臺頂部10的物體 (例如，待檢查的工件)接觸，以便測量物體表面上的點的位置。以這種方式獲取物體表面測量結果是本領域技術人員所已知的。還應該注意，測量探頭通常僅在測量循環期間由頭部攜帶。在機加工循環期間，所述頭部攜帶用于切削零件的適當工具或多個工具。機床通常連同存儲校準信息或表單的控制器一起銷售。具體來說，機床制造商或者供應商通常在銷售前手動校準機床(例如，使用干涉測量技術等)，以允許零件被加工到終端使用者運行的切削程序中指定的尺度。雖然制造商校準數據足夠用于許多應用場合， 但是建立某些方面的校準數據，如果發生的話，可能非常耗費時間。隨著時間流逝或者如果重新配置機床或者機床受到干擾，則可能另外出現誤差。為此，已經為使用由所述機床攜帶的測量探頭的終端使用者或者維護工程師開發了各種重新校準或校準檢查規程。如上所述，校準檢查規程的一個示例在EP1696289中描述。在這種技術中，尺度已知的球體的中心位置利用安裝在機床上的測量探頭進行測量。然后機床將所述球體移動已知的量(即，基于校準數據或者控制器收到的編碼器讀數)并且機床控制器計算新的名義球體中心位置，即機床控制器計算球體在移動之后球體中心應該所處的位置。然后利用測量探頭重新測量實際球體中心位置。實際球體中心和名義球體中心之間的差值提供了定位偏差值。該定位偏差值提供了機床校準精度的量度。 換句話說，小的定位偏差值意味著球體被移動了由控制器所預測的量，并且校準結果良好。 大的定位偏差值意味著球體移動到了控制器不希望的位置，并且校準結果較差。在EP1696^9中描述的方法已經被本發明的發明人發現存在許多缺陷。具體來說，利用該方法確定的定位偏差值僅對于測量該差值的機床工作空間的區域有效，這并不必然是切削或測量工件的區域。因此利用現有技術測量的任何定位偏差值(特別是與旋轉運動相關的定位偏差值)可能不同于在切削或測量零件的機床工作空間的區域內實際發生的定位偏差。校準球體可以放置在機床移動部分上的不同位置，但是將該球體精確放置在希望的位置(例如，與平面或軸線相交)的要求耗費時間并且對于快速校準或者校準檢查過程來說不切實際。本發明的發明人因此設計了一種改進技術，其中提供了機床部分的校準設備，該設備包含至少兩個校準物體，諸如兩個校準球體。每個校準物體清晰地限定一個位置，并且因此可以設定基準測量點，該基準測量點相對于校準物體的位置(例如球體中心位置)具有固定位置。該基準測量點可以根據需要選擇與機床的特定平面或軸線相交。當機床重新取向或者校準設備移動時，可以找到所述基準測量點(即，重新測量)，并且與運動完成后控制器計算的名義基準測量點相比較。這樣提供了任何機床誤差的指示。該方法的示例現在進行描述。參照圖2，示出了校準設備19包括表現為第一校準球體20形式的第一校準物體和表現為第二校準球體22形式的第二校準物體。第一和第二球體20和22彼此隔開并且安裝到基板M。基板M安裝到參照上面圖1所述那種雙軸旋轉工作臺的工作臺頂部10。旋轉工作臺的B和C旋轉軸也在圖中示出。應該注意，第一和第二球體20和22優選為高精度球體，但是不必精確知道球體尺度或者相對間隔。圖3a和北在機床(X、Y、Z)坐標系統中示出了圖2中的校準設備19和工作臺頂部10的側視圖和俯視圖。具體來說，圖3a在X-Z平面示出了校準設備的側視圖，而圖北在χ-y平面示出了校準設備的頂視圖。在圖北中，示出了第一和第二校準球體20和22，并且可以看到它們彼此間隔開。可以在預先測量C軸在機床(X、Y、Z)坐標系統中的位置的情況下，銷售機床。優選，現在描述的方法包括測量或重新測量該C軸位置的第一步驟。具體來說，可以通過測量其中一個校準球體的中心，將校準設備圍繞C軸旋轉180° (保持B軸鎖止)然后重新測量球體中心位置，由此來找到C軸位置。兩個球體中心測量結果的中點給出了旋轉C軸的位置。這種用來找到C軸位置的過程在W02007/068912中更為詳細地描述。因此，在X、Y、Z 坐標系統中找到了當前或更新的C軸位置，如圖北所示。如上所述，重新測量C軸位置是可選的，并且也可以替代地使用由機床制造者確定的位置。大多數機床提供沿著相互正交的X、Y、Z軸的運動，這些正交的軸通常由機床制造商以非常高的精度限定，例如利用激光校準技術。因此找到包括測得的C軸的X-Z平面，該 X-Z平面定義為Y = 0平面，該平面也在圖: 中示出。應該注意，校準設備19只需要放置在C軸的大約附近(例如，接近旋轉工作臺中部的某處)。不需要將校準設備精確地放置在旋轉工作臺上的特定位置。然后在工作臺位于第一 B軸旋轉角(例如，B = O0 )的情況下，測量校準設備的第一和第二球體20和22的中心位置。可以采用傳統方式，利用機床攜帶的測量探頭測量每個球體表面上的多個點來找到球體中心的位置。然后執行球體擬合處理，以計算球體中心的位置。還參照圖4，一旦找到第一和第二校準球體的中心，則在兩個球體中心投射直線。 然后找到該直線與Y = O平面相交的點R1，即在機床坐標系統中找到球體中心之間的該直線與γ = 0平面相交的位置。換句話說，在x、y( = 0)和ζ坐標中找到點Rl的位置。參照圖5，該與球體中心交匯的直線與Y = 0平面相交的點I也在相對于球體中心定義的局部坐標系統中進行描述。具體來說，圖5示出了交點I的位置如何定位地距離第一校準球體20為第一距離a，距離第二校準球體22為第二距離b。沿著連接球體中心的該直線測量距離a和b。然后以絕對距離值存儲交點I的位置(例如，可以存儲距離a和/或b的值)，但是優選以該點沿著連接球體中心的直線的位置比例來存儲。例如，可以存儲這樣的值，該值定義交點I沿著連接球體中心的直線位于a/(a+b)的位置。以這種方式存儲比例，意味著能沿著球體之間的直線計算投射位置。這種計算的示例可見于圖5，其中沿著Y軸的比例用于確定在Y = 0平面上的投射XYZ位置。應該注意，在工作臺定位于第一 B軸旋轉角時，點Rl在空間中與點I處于相同位置。該相同位置在機床坐標系統和局部(物體)坐標系統兩者中簡單地描述。參照圖6，機床將工作臺圍繞B軸旋轉特定的已知角度。因此，工作臺10’和校準設備放置在第二 B軸旋轉位置，該第二 B軸位置在圖6中以虛線顯示。由機床攜帶的測量探頭再一次用于測量在新的B軸取向下，第一和第二校準球體20和22的表面上的多個點的位置。然后通過擬合過程建立第一和第二校準球體20和22的中心的新位置。參照圖7，示出了工作臺處于第二 B軸位置時的幾何結構。如參照圖5所述，相對于球體中心位置在局部坐標系統中定義點I。因此，隨著校準設備轉動，點I已經移動。因此，可以利用重新測量的球體中心位置以及先前存儲的沿著連接球體中心的直線定義點I 的位置的值，找到點I的新位置。點I在機床坐標系統中的該新位置在圖7中以Rail表示。機床控制器也進行編程，通過因B軸旋轉導致的點I的位置的名義或計算變化量與先前測量的位置Rl相加，來計算名義位置R2n。換句話說，機床控制器在機床坐標中，計算工作臺圍繞B軸轉過具體的角度之后，點I應該位于何處。然后在測得的Raii和名義R2n 值之間找到差異或者定位誤差Δ。然后可以在一個或更多個額外B軸取向下，重復該過程，以建立誤差或補償表。該表可以用于糾正后續的機床移動(目的是提高切削精度)或者利用測量探頭獲取的測量結果。作為替代，誤差表可以簡單地用于評估是否需要機械維修或者完整的機床重新校準。因此，本發明可以認為具有在Y = O平面(即包括另一旋轉軸C的平面)找到誤差的優勢。這為在相對于C軸的最優基準位置校正圍繞B軸的轉動提供了精確的校準數據。 具體來說，利用這種方法不需要精確的物體位置，與并且設置無關，糾正數據可以集中在要求的平面或旋轉軸上。還應該注意，如果僅使用一個球體時要求這樣的精度，則該球體必須非常精確地
12定位，以使其中心處于Y = 0的平面上。這將要求使用例如分度測試指示器(具有其自身固有的誤差)或者類似裝置，從而大大增加了測量的復雜性。作為替代，單一球體可以旋轉到兩個位置，以提供第二虛擬球體，但是，這樣做的缺陷在于，精度高度依賴C軸取向的精度。根據本發明，使用兩球體校準設備則可以認為相對于單一球體方案具有優勢，并且特別在于，它不需要使用復雜的設置過程或者精確知道旋轉軸的位置或者取向。參照圖8和9，描述了本發明的進一步的方法，該方法也采用將穿過兩個球體中心的直線投射到任何方便投射的半徑的思想。這種方法包括將校準設備安裝到可圍繞C軸轉動的機床工作臺34，該設備包括第一校準球體30和第二校準球體32。旋轉工作臺34放置在第一角度取向(例如，C = 0° )，如圖8所示。測量探頭用來測量第一球體30和第二球體32的表面上的多個點，由此利用已知方式計算第一球體和第二球體的中心的位置。穿過測得的球體中心投射直線，并且點Rl定義在工作臺旋轉軸C的特定半徑r處。也記錄從第二球體32的中心到點Rl的距離a。旋轉工作臺34圍繞C軸轉過一定的角度，例如10°。通過測量球體表面上的多個點，再一次找到第一球體30和第二球體32的中心的位置。穿過新測得的球體中心投射直線，并且找到與第二球體32的中心距離為a的點R2m的位置。機床控制器還計算來自點 Rl的C軸轉動的名義位置R2n。然后找到測得的Ran和名義R2n值之間的差異或者定位誤差Δ 2。情形在圖9中示出。在多個C軸取向下重復該過程，從而建立發生在距離C旋轉軸的徑向距離r處的定位誤差圖譜。通過這種方式，可以找到距離該旋轉軸的任何期望的徑向距離處的定位誤差，而不必將校準物體精確地放置在該徑向位置。這種方法的優勢還在于，它能在一次測量操作中提供有關多個半徑上的點的定位誤差信息。例如，誤差可以映射到工作臺中心(r = 0)，也可以映射到外邊緣(例如，r = 300mm)。利用單一球體來完成，將要求進行多次測試，并且也將取決于球體的精確定位。相反，利用現在描述的方法，可以從成對球體的單組測量結果找到這些誤差。以上事例僅僅例述本發明。技術人員應該理解包含在本發明中的上述例子的眾多修改和變形。例如，上述兩個校準物體的方法可以用作任何已知校準或校準檢查方法的一部分，而這些已知方法先前依靠測量單一校準物體的位置。而且重要的是要注意，雖然上述具體例子描述了機床具有包括雙軸旋轉工作臺的第一部分和可以沿著三個相互正交的線性軸移動的第二部分，但是該方法也可以用于各種不同的機床配置。例如，可以利用這樣的機床來實現該方法，在該機床中，第二部分提供一個或多個旋轉軸，例如第二部分可以包括單軸或者多軸回轉頭部單元。包括校準設備的機床的第一部分也可以僅包括一個旋轉軸或者不包括旋轉軸，和/或可以沿著一個或多個線性軸平移。實際上，在機床上實現所述方法時，第一部分甚至可以完全保持靜止，其中第一和第二部分之間的全部相對線性運動和旋轉運動都單純由機床的第二部分的運動來提供。以上用來描述機床不同旋轉軸的各種術語也并非特意以任何方式用于限制各種方法的適用性，而純粹是用來協助理解。
權利要求
1.一種在機床校準或檢查校準時使用的方法，所述機床包括相對于第二部分移動的第一部分，所述機床的所述第一部分包括校準設備，所述校準設備包括至少第一校準物體和第二校準物體，所述機床的所述第二部分包括測量探頭，所述方法包括步驟(i)利用所述測量探頭測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置；( )利用所述步驟(i)的測量結果建立所述第一校準物體的位置和所述第二校準物體的位置；和(iii)為所述校準設備定義基準測量點，所述基準測量點相對于所述步驟(ii)中建立的所述第一和第二校準物體的位置具有固定位置。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述機床的所述第一部分能相對于所述機床的所述第二部分圍繞至少一個旋轉軸轉動，其中在所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分旋轉到第一取向的情況下進行所述步驟(i)中的測量。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括步驟相對于所述機床的所述第二部分將所述機床的所述第一部分圍繞至少一個旋轉軸轉動，由此所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分放置在第二取向；利用所述測量探頭測量所述第一校準物體和第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置，并由此建立所述第一校準物體的新位置和所述第二校準物體的新位置；和從所述第一校準物體和所述第二校準物體的所述新位置，確定如所述步驟(iii)中定義的所述基準測量點的新位置。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述機床包括控制器，所述控制器執行步驟根據所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分旋轉到所述第二取向， 計算所述基準測量點的新的名義位置。
5.如權利要求4所述的方法，包括步驟將從所述第一校準物體和所述第二校準物體的所述新位置確定的所述基準測量點的所述新位置與所述控制器計算的所述基準測量點的所述新的名義位置相比較。
6.如權利要求3至5任一項所述的方法，其特征在于，所述機床的所述第一部分能相對于所述機床的所述第二部分圍繞第一旋轉軸和第二旋轉軸轉動，其中將所述機床的所述第一部分相對于所述機床的所述第二部分放置在第二取向的步驟包括僅圍繞所述第二旋轉軸轉動。
7.如權利要求2至6任一項所述的方法，其特征在于，所述機床的所述第一部分能相對于所述機床的所述第二部分圍繞第一旋轉軸轉動，其中所述步驟(iii)包括定義基準測量點，所述基準測量點在所述機床坐標系統中處于包含所述第一旋轉軸的預定平面上。
8.如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，所述機床的所述第一部分包括旋轉單元，和/或所述機床的所述第二部分包括回轉頭部單元。
9.如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟(i)包括相對于所述機床的所述第二部分沿著多個軸線性平移所述機床的所述第一部分，以允許所述測量探頭測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的所述多個點。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(i)在所述校準設備置于第一位置的情況下進行，并且所述方法包括額外的步驟移動所述機床的所述第一部分，以便將所述校準設備放置在第二位置；利用所述測量探頭測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置，由此建立所述第一校準物體的新位置和所述第二校準物體的新位置；和從所述第一校準物體和所述第二校準物體的所述新位置確定如所述步驟(iii)定義的所述基準測量點的新位置。
11.如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，所述第一校準物體包括第一球體，而所述第二校準物體包括第二球體，在所述步驟 (ii)中建立的第一校準物體的位置包括所述第一球體的中心的位置，而在所述步驟(ii) 中建立的所述第二校準物體的位置包括所述第二球體的中心的位置。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述步驟(iii)定義的基準測量點位于穿過所述第一和第二球體的中心的直線上。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述定義的基準測量點位于所述第一和第二球體的中心之間，并且所述定義的基準測量點存儲為沿著連接所述第一和第二球體的中心的直線的距離比率。
14.如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，所述校準設備包括可連接到所述機床的基板，其中所述第一和第二校準物體附連到所述基板。
15.如前述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，所述第一和第二校準物體的位置在三個維度建立。
16.一種用于機床校準或校準檢查的方法，所述方法包括步驟(a)在機床的運動部分提供校準設備，所述校準設備包括至少第一校準物體和第二校準物體；(b)利用所述機床攜帶的測量探頭測量所述第一和第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置，并且由此建立所述第一校準物體的位置和所述第二校準物體的位置；(c)為所述校準設備定義基準測量點，所述基準測量點相對于所述步驟(b)中建立的所述第一和第二校準物體的位置具有固定位置；(d)移動所述機床的所述運動部分；(e)利用所述測量探頭測量所述第一和第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置并由此建立所述第一校準物體的新位置和所述第二校準物體的新位置；和(f)從所述步驟(e)中測得的所述第一和第二校準物體的所述新位置確定如步驟(c) 中定義的所述基準測量點的新位置。
17.一種用于機床校準或者校準檢查的方法，所述方法包括步驟(a)在所述機床的運動部分上提供校準設備，所述校準設備包括至少第一校準球體和第二校準球體；(b)利用所述機床攜帶的測量探頭測量所述第一和第二校準球體每一個的表面上的多個點的位置并由此建立所述第一和第二校準球體的中心的位置；(c)為所述校準設備確定基準測量點，所述基準測量點相對于步驟(b)中建立的所述第一和第二校準球體的中心具有固定位置；(d)移動所述機床的所述運動部分；(e)利用所述測量探頭測量所述第一和第二校準球體每一個的表面上的多個點的位置并由此建立所述第一和第二校準球體的中心的新位置；和(f)從所述步驟(e)建立的所述第一和第二校準球體的中心的所述新位置確定如所述步驟(c)中定義的所述基準測量點的新位置。
全文摘要
本發明描述了一種為機床校準定義基準點的方法，所述機床包括相對于第二部分(4)移動的第一部分(8)。所述機床的所述第一部分(8)包括校準設備(19)，該校準設備包括至少第一校準物體(20；30)和第二校準物體(22；32)。所述機床的所述第二部分(4)包括測量探頭(18)。所述方法包括步驟利用所述測量探頭(18)測量所述第一校準物體和所述第二校準物體每一個的表面上的多個點的位置。利用這些測量結果建立所述第一校準物體的位置和所述第二校準物體的位置。為所述校準設備(19)定義基準測量點(I)，所述基準測量點相對于所述第一和第二校準物體的建立位置具有固定位置。所述校準物體可以包括球體。
文檔編號G05B19/401GK102483621SQ201080037654
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月18日 優先權日2009年8月28日
發明者戴維·約翰·羅杰斯, 詹姆斯·亞瑟·哈特利 申請人:瑞尼斯豪公司