专利名称：工件测量装置和测量机床上的工件的方法
技术领域：
本发明涉及工件测量装置和测量机床上的工件的方法，其中利用连接于可移动单元的有线或无线测量头对所述工件进行测量，所述可移动单元在所述机床的加工区域中相对于所述工件移动。
背景技术：
对于诸如加工中心的机床，已经提出了测量连接于机床的工件的表面形状的技术，而不用在加工后将工件从机床取下。例如，日本公开的专利申请JP2007-518579(对应于WO 2005/065884)中描述了一种用于机床的工件检测系统。该工件检测系统具有安装在机床主轴上的探头(对应于本发明的测量头)。当探头的探针接触工件时，将所测得的数据输出，并且NC(数控)设备也获得探头的位置数据。 测量数据和位置数据组合在一起以检测工件。JP2007-518579中描述的检测系统受到配置，使得可编程控制器从用于计算的NC 设备接收探头的位置数据。因此，为了检测工件，已需要修改或改变NC设备或可编程控制器(例如，为其添加新的功能)。此外，受到NC设备和可编程控制器的限制的检测系统未必能应用到所有机床。在操控机床的过程中，从NC设备取得探头的位置数据的操作是间歇地进行的，这是NC设备的主要作用。因此，难以按照精确的定时的方式取得探头的位置数据。此外，已经不可能为了从探头高速地取得大量的测量数据再进一步地缩短用于取得位置数据的时间间隔了。因此，难以在短时间内对工件进行大范围的测量。
发明内容
本发明的目的是想解决上述问题，因此提供了工件测量装置和测量机床上的工件的方法。本发明可应用于配备有任何配置的NC设备和可编程控制器的任何机床，而不必进行修改或改变，例如不必为NC设备和可编程控制器添加新的功能，并且也不会受限于NC设备和可编程控制器的限制。另外，本发明的另一个目的是，在从NC设备取得测量头的位置数据时，通过所述测量头进行高速扫描，而没有任何时间限制，并且在短时间内测量工件的二维或三维形状， 从而可以在测量之后迅速地继续加工操作。为了实现上述这些目的，根据本发明提出了一种工件测量装置，其通过测量头来检测工件的位置和形状，该测量头连接于机床的可移动单元，该可移动单元在NC设备控制的所述机床的加工区域之内相对于所述工件移动，其中所述测量头是位移传感器，能够测量其与工件的距离并且输出距离数据，在所述NC设备的外部设置有外部模块，以取得连接有所述测量头的所述可移动单元的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据，对所述外部模块进行配置，使得连接于所述可移动单元的所述测量头的位置数据与所述测量头的距离测量在相同的时间间隔内取得，对取得的所述距离测量数据和所述测量头的所述位置数据进行计算，从而获得所述工件的位置，并且在移动所述测量头的同时进行连续的测量，从而测得所述工件的连续的形状。优选地，所述工件测量装置包括存储器，该存储器在相同时间点上组合并存储所述可移动坐标轴的所述位置数据以及所述距离数据，所述位置数据由沿着所述可移动单元的每一个坐标轴方向的位置检测设备输出，所述距离数据由所述测量头测得。优选地，连接有所述测量头的所述可移动坐标轴的所述位置数据是从所述NC设备使用的电机编码器信号分出的数据，或者是从单独添加的专用位置检测设备输出的数据。为了实现上述这些目的，根据本发明提出了一种测量机床上的工件的方法，所述方法通过测量头来检测工件的位置和形状，该测量头连接于机床的可移动单元，该可移动单元在NC设备控制的所述机床的加工区域之内相对于所述工件移动，其中在所述方法中使用了工件测量装置，所述测量头是位移传感器，能够测量其与工件的距离并且输出距离数据，在所述NC设备的外部设置有外部模块，以取得连接有所述测量头的所述可移动单元的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据，对所述外部模块进行配置，使得连接于所述可移动单元的所述测量头的位置数据与所述测量头的距离测量在相同的时间间隔内取得， 对取得的所述距离测量数据和所述测量头的所述位置数据进行计算，从而获得所述工件的位置，并且在移动所述测量头的同时进行连续的测量，从而测得所述工件的连续的形状。由于根据本发明的工件测量装置和测量机床上的工件的方法进行了上述配置，所以本发明可应用于配备有任何配置的NC设备和可编程控制器的任何机床，而不必进行修改或改变，例如不必为NC设备和可编程控制器添加新的功能，并且也不会受限于NC设备和可编程控制器的限制。另外，在从NC设备取得测量头的位置数据时，本发明的装置和方法通过所述测量头进行高速扫描，而没有任何时间限制，并且在短时间内测量工件的二维或三维形状，从而可以在测量之后迅速地继续加工操作。
图1至4显示了本发明的第一实施方案，其中图1为配备有工件测量装置的机床的立体图，该工件测量装置具有有线测量头；图2为图1中所示工件测量装置的配置的略图；图3为显示测量工件的情形的解释性示图；图4列出了输入到控制设备中的数据及其计算结果；图5为根据第二实施方案的具有无线测量头的工件测量装置的配置的略图；图6为根据示例性变型的工件测量装置的配置的略图，其中设置有延迟电路；并且图7为根据示例性变型的工件测量装置的配置的略图，其中设置有前置系统。
具体实施例方式根据本发明的工件测量装置具有外部模块，该外部模块设置在NC (数控)设备外部。外部模块从位置检测设备取得测量头的位置数据，并且有线或无线测量头同时测量工件和测量头之间的距离。由外部模块取得的测量头的位置数据被输出到控制设备，并且存储于其中。由测量头测得的到达工件的距离数据也被输出到控制设备，并且存储于其中。控制设备通过在位置数据和距离数据的基础上进行计算，从而获得工件的二维或三维形状数据。从而根据本发明实现了下文所述的第一至第三目的。第一目的是免除修改或改变 (例如，为NC设备和可编程控制器增加新的功能)的必要性。第二目的是，通过独特地设计并制造工件测量装置，而不受限于NC设备和可编程控制器的限制，从而使得本发明可以应用于配备有任何配置的NC设备和可编程控制器的任何机床。第三目的是，在从NC设备取得测量头的位置数据时，通过测量头进行高速扫描，而没有任何时间限制，并且在短时间内测量工件的二维或三维形状，从而可以在测量之后迅速地继续加工操作。在如下实施方案中，所显示的情形中的机床是立式加工中心。机床可以是卧式加工中心、多轴车削中心、车床、车削机床、磨床、激光束机床或者具有可回转刀具轴的多轴车削中心。[实施例](第一实施例)下面将参考图1至4描述本发明的第一实施例。在所有视图中，同样的或对应的部件由同样的或对应的附图标记所表示。图1为配备有工件测量装置的机床的立体图，该工件测量装置具有有线测量头， 图2为图1中所示工件测量装置的配置的略图，图3为显示测量工件的情形的解释性示图， 并且图4列出了输入到控制设备中的数据及其计算结果。如图1和2所示，在本实施例中，立式加工中心显示为机床1。机床1具有安装在地板表面上的床身2、安装在床身2上的立柱3、具有主轴4的轴头5以及具有工作台6的座鞍7。机床1受到NC设备(数控设备)13的控制。轴头5由立柱3的前部面支撑，从而沿着竖直方向(沿着Z轴)可移动。刀具18 可拆卸地连接于主轴4的尖端。主轴4由轴头5支撑，从而使得主轴4的中心轴线平行于 Z轴，并且围绕中心轴线可旋转。座鞍7设置在床身2上，并且可以前后水平(沿着Y轴)移动。座鞍7具有设置于其上的工作台6。工作台6可以左右水平(沿着X轴)移动。工件9设置在工作台6上。 三个垂直坐标轴包括彼此垂直的可移动坐标轴(X轴、Y轴和Z轴)。由立柱3支撑的轴头5由Z轴进给机构10驱动，以便沿着Z轴移动。设置在床身 2上的座鞍7由Y轴进给机构11驱动，以便沿着Y轴移动。安装在座鞍7上以支撑工件9 的工作台6由X轴进给机构12驱动，以便沿着X轴移动。因此，正如所描述的，轴头5、主轴4、座鞍7和工作台6是可移动单元，其能够由进给机构10、11和12驱动，以便沿着每一个轴移动。NC设备13分别控制X轴进给机构12、Y轴进给机构11和Z轴进给机构10。此外，NC设备13控制ATC(自动换刀装置)14，该ATC 14自动地更换主轴4上的刀具18。因此，机床1是执行三轴控制的加工中心，该三轴控制使得主轴4和工件9沿着三个垂直坐标轴(即，X轴、Y轴和Z轴)相对地且沿直线移动。需注意，轴头5和工件9可以分别沿着X轴和Y轴相对移动。
机床1具有位置检测设备30，位置检测设备30包括X轴测定设备43、Y轴测定设备44和Z轴测定设备45。X轴测定设备43检测可移动单元沿着X轴的当前位置，并且将反馈信号Kx输出到 NC设备13。Y轴测定设备44检测可移动单元沿着Y轴的当前位置，并且将反馈信号Ky输出到NC设备13。Z轴测定设备45检测可移动单元沿着Z轴的当前位置，并且将反馈信号 Kz输出到NC设备13。NC设备13在反馈信号Kx、Ky和Kz的基础上分别控制X轴进给机构12、Y轴进给机构11和Z轴进给机构10，反馈信号Kx、Ky和Kz从位置检测设备30输出。相应地，NC设备13将可移动单元沿着三个垂直坐标轴的当前位置调节为正确位置。如图1至3所示，工件测量装置20具有有线测量头8、控制设备(例如，个人计算机或微型计算机)23以及外部模块四，控制设备23用于控制测量装置20。模块四独立设置在NC设备13外部。测量头8连接于可移动单元(在此为轴头幻，该可移动单元在由NC设备13控制的机床1的加工区域之内相对于工件9移动。测量头8检测工件9的位置和形状。测量头 8是能够测量到达工件9的距离并且输出距离数据Bl的位移传感器。测量装置20和利用测量装置20的工件测量方法可以通过连接于轴头5的测量头 8而按照非接触方式(或者按照接触方式)测量工件9。在NC设备13之外设置接口(外部模块29)，该接口取得所述可移动单元的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据Cl，所述可移动单元具有连接于其上的测量头8。对所述外部模块四进行配置，使得连接于所述可移动单元的所述测量头8的位置数据Cl与所述测量头8的距离测量在相同的时间间隔ΔΤ内取得。通过对所取得的距离测量数据Bl和测量头8的位置数据Cl进行计算，从而得到工件9的位置。通过在移动测量头8的同时进行连续测量，从而能够测得工件9的连续形状。容放测量头8的壳体19连接于轴头5的前部面fe。壳体19支撑测量头8，从而使测量头8能够进入其中并且从其中离开。测量头8在使用时从壳体19向下突出，并且在不使用时容放于壳体19内。在测量头8从壳体19向下露出的同时，测量头8对工件9进行测量。支撑测量头8的壳体19可以设置在轴头5的侧面或底面上。模块四是数字信号处理器、FPGA(现场可编程门阵列)、微型计算机或个人计算机。当从沿着各自的坐标轴(X轴、Y轴和Z轴)的位置检测设备30反馈测量头8相对于工件9上的测量点(待测点)S的位置数据时，模块四以恒定时间间隔ΔΤ规则地读取并取得反馈信号Kx、Ky和Kz。在该示例性实施例中，测量头8的位置数据Cl是沿着至少两个坐标轴(Ζ轴和X 轴)的位置数据，所述至少两个坐标轴包括第一轴方向(沿着Z轴)和第二轴方向(沿着X 轴)，测量头8在第二轴方向上扫描。尽管“沿着两轴的位置”通常是沿着彼此正交的Z轴和X轴的位置，但是所述两轴可以不正交。模块四以恒定时间间隔Δ T规则地读取反馈信号Kx、Ky和Kz，并且从反馈信号 Kx、Ky和Kz取得沿着测量头8的三个垂直坐标轴的位置数据Cl (X，Y，Z)。
测量头8的位置数据Cl从位置检测设备30反馈到NC设备13。模块四分出并取得从位置检测设备30反馈到NC设备13反馈信号Kx、Ky和Kz。测量头8的位置数据Cl可以从位置检测设备30经由模块四反馈到NC设备13。 在此情况下，反馈信号Kx、Ky和Kz从位置检测设备30经由模块四发送到NC设备13。位置检测设备30可以包括“编码器”，替代测定设备43、44和45，“编码器”基于伺服电机的旋转角度而检测可移动单元的当前位置，并且输出反馈信号Kx、Ky和Kz。在此情况下，连接有测量头8的可移动坐标轴的位置数据Cl是从NC设备13使用的电机编码器信号分出的数据。测量装置20具有设置在模块四上的脉冲输出单元24。脉冲输出单元M将作为同步信号(触发器)的定时脉冲P输出到测量头8和位置检测设备30中的一者或两者(在本实施例中为测量头8和位置检测设备30两者)。脉冲输出单元M输出定时脉冲P，定时脉冲P具有对应于恒定时间间隔Δ T的脉冲间隔(从一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔)。定时脉冲P是“用于定时的脉冲”，并且使用在本实施例中用来协调测量头8的测量操作和位置检测设备30的当前位置查询操作的定时。用于控制机床1的可编程控制器(在下文中称为控制器)25例如为PMC(可编程机械控制器)、PLC (可编程逻辑控制器)等等。所示的控制器25包括于NC设备13中。控制器25的配置本身可以与NC设备13 分离进行。如果在控制器25中设置时钟和脉冲输出，时钟就以恒定时间间隔ΔΤ输出规则信号。根据时钟的信号，控制器25从NC设备13读取并取得测量头8的位置数据。在此情况下，从控制器25的时钟输出的信号的最小恒定时间间隔ΔΤ例如是 16[mSec(毫秒)]，目前难以将其缩短。因此，定时脉冲P的脉冲间隔基本上是16 [msec]，其等同于恒定时间间隔ΔΤ。因此，测量头8只能够利用16[mSec]的时间间隔进行测量。然而，在本实施例中，因为在模块四中设置了脉冲输出单元对，所以可以任意缩短脉冲间隔。因此，脉冲输出单元M可以输出定时脉冲P，该定时脉冲P具有对应于恒定时间间隔Δ T的脉冲间隔(例如，1 [msec])。因此，测量头8可以在相当短的时间间隔AT(l[mseC])内测量工件9。因此，在从NC设备13取得测量头8的位置数据Cl时，可以通过测量头8进行高速扫描，而没有任何时间限制，并且测量头8在短时间内测量工件9的二维或三维形状，从而可以在测量之后迅速地继续加工操作。此外，测量头8可以在短时间内大范围地对工件9进行测量。测量指令f的信号F包括脉冲输出单元M的定时脉冲P，并且从模块四输出。信号F经由配线60发送到连接于轴头5的测量头8。由测量头8测量的其与工件9的距离数据Bl经由配线61发送到模块四。在测量装置20对工件9进行测量时，模块四从位置检测设备30反馈的反馈信号 Kx, Ky和Kz读取并取得测量头8的位置数据Cl。本实施例的模块四取得相对于工件9上的测量点S的沿着测量头8的三个垂直坐标轴(X轴、Y轴和ζ轴)的位置数据Cl。“测量头8的位置”是在测量头8中预定的参考位置Si，其例如是激光振荡器中的激光束L的离开位置。
当脉冲输出单元M输出定时脉冲P时，模块四将包括测量指令f的信号F经由配线60输出到测量头8。因此，按照与模块四取得测量头8的位置数据Cl的操作定时同样的定时，测量头8根据测量指令f对工件9进行测量。因此，测量头8测量从测量头8到工件9的距离D。测得的数据B 1从测量头8经由配线61输出到模块四。以此方式，在时间点上通过模块四取得测量头8的位置数据Cl的操作以及通过测量头8测量工件9的操作总是以恒定时间间隔ATdDnsec])按照相同的定时(即，同时)重复进行。换句话说，通过从位置检测设备30反馈的反馈信号Kx、Ky和Kz读取位置数据Cl， 模块四取得相对于工件9上的测量点S的沿着测量头8的至少两个轴(Z轴和X轴)的位置数据Cl。与模块四的该操作同时地，并且以恒定时间间隔Δ T(1 [msec])，测量头8在时间点上测量从测量头8到工件9的距离D。由模块四取得的测量头8的位置数据Cl被输出到控制设备23，并且存储于其中。 由测量头8根据测量指令f测量的与工件9的距离数据Bl临时输出到模块四并存储于模块四中，并且接着输出到控制设备23并存储于其中。距离数据Bl可以直接从测量头8输出到控制设备23。通过在位置数据Cl和距离数据Bl的基础上进行计算，控制单元23取得工件9的二维或三维形状数据。根据上述配置的测量装置20以及利用装置20的工件测量方法，不需要诸如为NC 设备13和控制器25添加新功能的修改或改变。此外，测量装置20可以单独地设计并制造， 而不会受限于NC设备13和控制器25的限制。结果是，测量装置20可以应用到配备有任何配置的NC设备和可编程控制器的机床Io在时间点上取得相对于工件9上的测量点S的沿着测量头8的至少两个坐标轴(Z 轴和X轴)的位置数据Cl的操作以及通过测量头8测量工件9的操作以相当短的恒定时间间隔Δ T (Umsec])重复进行。因此，通过处理位置数据Cl和距离数据Bl可以测量工件9的二维或三维形状。此外，测量头8可以进行高速扫描，以在短时间内对工件9进行精确测量，从而可以在测量之后迅速继续加工操作。在测量装置20中，模块四和控制设备23独立于NC设备13和控制器25。因此， 测量装置20可以独立地且自由地设计或修改，而不会受限于NC设备13和控制器25的设计标准或配置。当在机床1上操作控制的过程中，从NC设备13取得测量头8的位置数据Cl的操作间歇地进行，这是NC设备13的主要作用。由于本发明提供有模块四，所以可以按照精确的定时取得测量头8的位置数据Cl。此外，还可以通过缩短取得位置数据Cl的时间间隔 Δ Τ，高速地从测量头8取得大量距离数据Bi。因此，可以在短时间内对工件9进行大范围测量。模块四具有位置数据临时存储器31和距离数据临时存储器32。存储器31和32在相同时间点上组合并存储所述可移动坐标轴的所述位置数据Cl以及所述距离数据Bi， 所述位置数据Cl由沿着所述可移动单元的每一个坐标轴的位置检测设备30输出，所述距离数据Bl由所述测量头8测得。尽管存储器31和32优选为环形缓存器，但是也可以使用其它类型的存储器。模块四按照定时脉冲P的定时从位置检测设备30反馈的反馈信号Kx、Ky和Kz 取得测量头8的位置数据Cl，定时脉冲P以恒定时间间隔AT(l[mSec])规则地从脉冲输出单元M输出。接着，位置数据Cl被发送到控制设备23。换句话说，模块四将位置数据Cl临时存储在位置数据临时存储器31中。接着， 位置数据Cl被输出到控制设备23的位置数据存储器沈，并存储于其中。模块四根据最新地址计数器38的指令以恒定时间间隔AT(l[mseC])规则地读取反馈信号Kx、Ky和Kz，并且取得测量头8的位置数据Cl [三个垂直坐标轴(X轴、Y轴和 Z轴)的位置数据Cl]。随后，位置数据临时存储器31临时存储位置数据Cl。沿着可移动单元的X轴的当前位置信息(坐标)53包含于反馈信号Kx中，反馈信号Kx从X轴测定设备43输出。沿着可移动单元的Y轴的当前位置信息(坐标)54包含于反馈信号Ky中，反馈信号Ky从Y轴测定设备44输出。沿着可移动单元的Z轴的当前位置信息(坐标) 包含于反馈信号Kz中，反馈信号Kz从Z轴测定设备45输出。沿着可移动单元的X轴的当前位置信息53、沿着可移动单元的Y轴的当前位置信息M以及沿着可移动单元的Z轴的当前位置信息55分别被输入到NC设备13的驱动单元56。在分别包含于反馈信号Kx、Ky和Kz中的当前位置信息5354和55的基础上，驱动单元56分别驱动X轴进给机构12、Y轴进给机构11以及Z轴进给机构10。沿着每一个轴的方向(X轴、Y轴和Z轴)的位置检测设备30将包括测量头8的位置数据Cl的反馈信号Kx、Ky和Kz进行反馈，并且将这些反馈信号输出到模块四的位置数据临时存储器31。存储器31临时存储包含于反馈信号Kx、Ky和Kz中的位置信号Cl。存储于位置数据临时存储器31中的位置数据Cl接着输出到控制设备23，并存储于其中。由测量头8测得的距离数据Bl被输出到模块四的距离数据临时存储器32并临时存储在距离数据临时存储器32中，并且接着被输出到控制设备23并存储于其中。如上所述，模块四以恒定时间间隔Δ T(1 [msec])规则地读取反馈信号Kx、Ky和 Kz，并且取得测量头8的位置数据Cl。然后，位置数据Cl临时存储于位置数据临时存储器 31中，并且接着从模块四输出到控制设备23。在通过测量头8测量工件9时，距离数据Bl从测量头8输出到模块四。距离数据Bl临时存储于模块四的距离数据临时存储器32中，并且接着从模块四输出到控制设备23ο例如，当对工件9上的第一测量点S进行测量时，模块四从反馈信号Kx、Ky和Kz 读取沿着测量头8的X轴、Y轴和Z轴的当前位置信息。相应地，坐标值“XI，Yl, Z1”被写入位置数据临时存储器31的地址“1”中。接着，当对工件9上的第二测量点S进行测量时，模块四从反馈信号Kx、Ky和Kz 读取沿着测量头8的X轴、Y轴和Z轴的当前位置信息。相应地，坐标值“X2，Y2，Z2”被写入位置数据临时存储器31的地址“2”中。同样，当对工件9上的第N测量点S进行测量时，模块四从反馈信号Kx、Ky和Kz读取沿着测量头8的X轴、Y轴和Z轴的当前位置信息。相应地，坐标值“紐，Yn, Zn”被写入位置数据临时存储器31的地址“N”中。 以此方式，测量头8的N个，S卩，第一至第N位置数据Cl以这一次序临时存储在位置数据临时存储器31中。接着，N个或者预定数量的位置数据Cl同时存储在控制设备23 的位置数据存储器26中。位置数据临时存储器31可以独立地设置在模块四之外。此外，设置在NC设备13 或控制器25内的存储器可以转用作位置数据临时存储器31。另一方面，例如当测量头8已测得工件9上的第一测量点S时，测量头8在时间点上测量从测量头8到工件9的距离Dl。模块四随后读取距离数据，并且距离“D1”被写入距离数据临时存储器32的地址“1”中。接着，当测量头8已测得工件9上的第二测量点S时，测量头8在时间点上测量从测量头8到工件9的距离D2。模块四随后读取距离数据，并且距离“D2”被写入距离数据临时存储器32的地址“2”中。同样，当测量头8已测得工件9上的第N测量点S时，测量头8在时间点上测量从测量头8到工件9的距离Dn。模块四随后读取距离数据，并且距离“Dn”被写入距离数据临时存储器32的地址“N”中。以此方式，测量头8的N个，S卩，第一至第N距离数据Bl以这一次序临时存储在距离数据临时存储器32中。接着，N个或者预定数量的距离数据Bl同时存储在控制设备23 的距离数据存储器21中。距离数据临时存储器32可以独立地设置在模块四之外。此外，设置在NC设备13 或控制器25内的存储器可以转用作距离数据临时存储器32。控制单元23具有计算处理器27、存储位置数据Cl的位置数据存储器沈以及存储距离数据Bl的距离数据存储器21。存储器沈和21在相同时间点上组合并存储所述可移动坐标轴的所述位置数据Cl 以及所述距离数据Bi，所述位置数据Cl由沿着所述可移动单元的每一个坐标轴方向的位置检测设备30输出，所述距离数据Bl由所述测量头8测得。沿着测量头8的至少两个坐标轴的位置数据Cl在模块四中取得，并且被临时存储在位置数据临时存储器31中，接着被存储在控制设备23的位置数据存储器沈中。换句话说，已经存储在模块四的位置数据临时存储器31中的位置数据Cl被存储在位置数据存储器26中。在此情况下，根据从设置在控制设备23上的起始地址存储器(计数器)37输出的指令以及设置在模块四上的最新地址计数器38的指令，位置数据存储器 26继续读取位置数据Cl，并且存储已按此方式读取的位置数据Cl。两个存储器21和沈可以独立于控制设备23而设置。工件9的距离数据Bl由测量头8根据测量指令f进行测量，经由配线61被输出到模块四，并且被临时存储在距离数据临时存储器32中。距离数据Bl接着被存储在控制设备23的距离数据存储器21中。换句话说，控制设备23继续在距离数据存储器21中存储从模块四发送的距离数据Bi。在由测量头8测得的距离D的数据(即，距离数据Bi)以及由模块四取得的沿着至少两个坐标轴(Z轴和X轴)的位置数据(指示测量头8的位置的数据Cl)的基础上，计算处理器27进行计算。换句话说，在存储于位置数据存储器沈的位置数据Cl和存储于距离数据存储器 21中的距离数据Bl的基础上，计算处理器27进行计算。从而获得工件9的二维或三维形状数据。刀具18可以存放在刀具库中。通过由NC设备13控制的ATC 14使刀具18可拆卸地位于主轴4上并且使其自动进行更换。因此，在由连接于主轴4的刀具18加工工件9 的过程之前(或者之中，或之后)，执行由测量头8测量工件9的过程使得加工和测量以此次序或以相反次序发生。换句话说，可以按照任意组合进行加工和测量。因此，正如所描述的，连接于工作台6的工件9的二维或三维形状可以在加工工件 9之后立即进行测量，而不用为了测量而从工作台6拆下工件9。此外，还可以在测量工件 9之后再次继续加工工件9的操作。在本发明的相关技术中，可能存在测量头8可拆卸地连接于主轴4的情况。然而， 将测量头8连接于主轴4以及从主轴4拆下测量头8会在连接和拆下的之前或之后造成测量头8的测量误差。此外，将刀具18连接于主轴4以及从主轴4拆下刀具18会在连接和拆下的之前或之后造成刀具18的加工误差。相比而言，对于本实施例，测量头8连接于轴头5而非连接于主轴4。因此，通过测量头8可以对工件9进行高精度的测量，而不用从主轴4拆下刀具18。此外，通过刀具18 可以对工件9进行高精度的加工。测量头8设置在刀具18附近，该刀具18连接于可移动单元(在此为轴头幻的主轴4。因此，测量头8可以高精度地在刀具18的附近位置处对工件9进行测量。除了加工中心的轴头5之外，连接有测量头8的可移动单元可以是加工中心的工作台6或者座鞍7、车床的刀架或刀塔、或者多轴车削中心的回转刀具轴。测量头8中已建立激光振荡器，该激光振荡器产生用于照射工件9表面的激光束 L。由激光振荡器产生的激光束L照射在工件9表面上的测量点S处。通过接收从工件9 表面反射的激光束L，测量头8计算从测量头8到工件9的距离D。距离D是测量头8的参考位置S 1和工件9上的测量点S之间沿着参考轴CL (例如，从测量头8发射的激光束L的中心轴线CL)的方向(即，沿着Z轴)的距离。测量指令f的信号F从脉冲输出单元M经由配线(配线60)发送到测量头8。在接收测量指令f时，测量头8通过激光振荡器产生激光束L，并且将激光束L照射在工件9 上。激光束L在工件9上的测量点S处被反射。因此，在被反射的激光束L的基础上计算从测量头8到工件9的距离D。包括计算出的距离D的距离数据B 1经由配线61输出到模块四。因此，正如所描述的，在接收测量指令f时，通过测量从测量头8到工件9的距离 D，测量头8以非接触方式测量工件9。在测量操作的过程中，测量头8并不接触工件9。因此，测量头8能够安全地高速扫描，而没有振动(或者只有轻微振动)，从而可以在短时间内对工件9进行大范围测量。接下来，将描述利用测量装置20测量工件9的过程。首先，由测量程序调用测量头8。轴头5随后移动，从而连接于轴头5的测量头8定位于测量(扫描)的起始点处。接着，通过测量程序中的M-码指令使NC设备13、模块四和控制设备23准备好进行测量。测量头8根据测量程序的移动指令开始在工件9上移动。NC设备13将开始测量的指令g输出到模块四。然后，模块四根据定时脉冲P从位置检测设备30输出的反馈信号Kx、Ky和Kz读取并取得测量头8的位置数据Cl，定时脉冲P以恒定时间间隔AT(l[mSec])规则地从脉冲输出单元M输出。位置数据Cl是沿着测量头8的三个垂直坐标轴(X轴、Y轴和Z轴)相对于工件9 上的测量点S的当前位置信息(坐标)。位置数据Cl连续地并临时存储于模块四的位置数据临时存储器31中。当模块四执行读取操作(取得操作)时，在脉冲输出单元M的定时脉冲P的基础上，测量指令f的信号F从模块四传输到测量头8。在接收测量指令f时，测量头8测量从测量头8到工件9的距离D。从测量头8输出的距离数据B 1经由配线61输出到模块四，并且临时存储在距离数据临时存储器32中。 距离数据Bl接着被输出到控制设备23的距离数据存储器21中。模块四无论何时逐一地从反馈信号Kx、Ky和Kz读取测量头8的位置数据Cl并将其存储在位置数据临时存储器31中，模块四的最新地址计数器38的值都会逐一累加。最后写入的地址保持在位置数据临时存储器31中。接着，模块四将位置数据Cl 输出到控制设备23的位置数据存储器26。控制单元23连续读取存储在位置数据临时存储器31中的一系列位置数据Cl，并且将其连续存储于位置数据存储器26中。此时，将要在位置数据临时存储器31中读取的一系列位置数据的前列地址保持在控制设备23的起始地址存储器37中，并且起始地址存储器37的值在每次读取位置数据时都更新。待读取的一系列位置数据的最后地址由模块四的最新地址计数器38指示。当输出程序中的M-码指令时，控制设备23将测量终止指令输出到模块四。由测量装置20进行的测量随后终止，并且脉冲输出单元M终止输出定时脉冲P的脉冲信号。当终止输出时，如果位置检测设备30或测量头8在恒定时间Δ T(1 [msec])之后没有接收脉冲信号，则可以确定测量已经终止。存储在控制设备23中的位置数据存储器沈中的一系列位置数据Cl的第一位置数据(Χ0，Υ0，Ζ0)被删除。这是因为当开始测量时不存在对应于第一位置数据的距离数据。此外，最后的距离数据Bl被删除。这是因为不存在对应于最后距离数据的位置数据。接着，计算处理器27在每一个时间点上组合位置数据[(Χ1，Υ1，Ζ1)，(Χ2，Υ2，Ζ2)， (Χ3,Υ3,Ζ3),……,(Χη, Yn, Zn),……]与距离数据(Dl，D2，D3，……,Dn,……)，并且计算工件9的二维或三维形状数据。根据本发明，控制设备23仅是必须处理最少的必要距离数据Bi。因此，减少了数据处理的工作量。因此，小的存储器容量即可满足位置数据临时存储器31、距离数据临时存储器32、位置数据存储器沈以及距离数据存储器21中的每一者。位置数据临时存储器31设置在模块四中。因此，测量头8的三个垂直坐标轴(X 轴、Y轴和Z轴)的位置数据Cl可以临时存储在位置数据临时存储器31中。
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接着，根据从控制设备23的起始地址存储器37输出的指令以及模块四的最新地址计数器38的指令，多个位置数据Cl的集合可以连续存储在位置数据存储器沈中。因此，对于处理位置数据Cl仅需要模块四、位置数据临时存储器31和控制设备23进行小的
工作量。计算处理器27在距离数据B 1以及沿着测量头8的三个垂直坐标轴的位置数据 Cl的基础上执行计算，距离数据Bl存储于距离数据存储器21中，位置数据Cl存储于位置数据存储器26中。从而获得工件9的二维或三维形状数据。按此方式对工件9上的大量测量点S的各自的坐标数据(二维或三维形状数据) 进行计算。大量测量点S的各自的坐标数据被输出到独立于控制设备23的计算设备(例如，个人计算机)28。计算设备观收集大量测量点S的坐标，从而取得工件9的实体，即三维形状E (图 3)。图4显示了输入到控制设备23的测得距离D的数据Bi、沿着三个垂直坐标轴的位置数据Cl以及在测得距离D的数据Bl和位置数据Cl的基础上的计算结果。计算结果是三维形状数据(即，工件9上的测量点S的坐标)。上文的描述显示了脉冲输出单元M以Umsec]的脉冲间隔输出定时脉冲P的情况。由于定时脉冲P用来控制数据取得的定时，所以任意值都足以作为脉冲间隔和测量间隔，而无任何限制。对于终止测量装置20进行的测量，如果在预定脉冲间隔(Umsec])下没有定时脉冲P的脉冲信号输入到测量头8和位置检测设备30，则可确定测量已经终止。对于该检测方法，脉冲间隔假定为较长(例如，160[mSeC])。在此情况下，测量头8 保持测量工件9并输出距离数据Bi，直到测量头8识别到已经较长时间(例如160[mSec]) 没有定时脉冲P到达，即使模块四从控制设备23接收测量终止指令也是如此。因此，在测量终止之前即刻由模块四取得的距离数据Bl变得毫无意义。因此，NC设备13配置为使其将测量终止指令g传输到模块四，并且当模块四接收指令g后，测量头8终止测量。以此方式，消除了模块四在测量终止之前徒然地即刻取得不必要数据的缺点。对于第一实施例的示例性变型，可能存在有线测量头8可拆卸地连接于机床1的主轴4的情况。在此情况下，当测量工件9时，在已从ATC 14的主轴4拆下刀具18之后， 操作者可设想手动将测量头8连接于主轴4以及从主轴4拆下测量头8。以此方式，本发明的测量装置20还可以应用于已经连接的机床。(第二实施例)图5为根据本发明第二实施例的具有无线测量头8a的位于机床101上的工件测量装置20a的配置的略图。在此，与第一实施例的零件相同或等同的零件具有相同的附图标记，并且省略这些相同或等同的零件的描述。如图5所示，测量装置20a具有对工件9进行测量的无线测量头8a。测量头8a在受控于NC设备13的机床101的加工区域中连接于轴头5，并且检测工件9的位置和形状， 轴头5是相对于工件9移动的可移动单元。测量头8a是能够测量与工件9的距离D并且输出距离数据Bl的位移传感器。
测量装置20a具有控制设备23和模块四，控制设备23控制装置20a。在NC设备13外部设置模块四，该模块四取得连接有测量头8a的轴头5的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据Cl。对所述外部模块四进行配置，使得连接于轴头5 的所述测量头8a的位置数据Cl与所述测量头8a的距离测量在相同的时间间隔ΔΤ内取得。通过对所取得的距离测量数据Bl和测量头8a的位置数据Cl进行计算，从而得到工件 9的位置。因此，通过在移动测量头8a的同时进行连续测量，从而可以测得工件9的连续形状。模块四独立于NC设备13而设置。当沿着至少两个坐标轴的位置数据Cl沿着每一个坐标轴方向从位置检测设备30反馈时，模块四以恒定时间间隔AT(l[mSec])规则地取得反馈信号Kx、Ky和Κζ，所述至少两个坐标轴包括测量头8a到工件9上的测量点的第一轴方向(沿着Z轴)以及测量头8a在其上扫描的第二轴方向(沿着X轴)。测量装置20a的脉冲输出单元M设置在模块四上。脉冲输出单元M将定时脉冲P沿着每一个坐标轴方向输出到测量头和位置检测设备30中的一者或两者(在本实施例中为两者)。测量头的位置数据Cl从位置检测设备30反馈到NC设备13。模块四分出并取得反馈信号Kx、Ky和Kz，反馈信号Kx、Ky和Kz从位置检测设备30反馈到NC设备13。当通过测量装置20a进行测量时，测量头8a对工件9进行测量。模块四随后从位置检测设备30反馈的反馈信号Kx、Ky和Kz取得测量头8a的位置数据Cl。由模块四取得的测量头8a的位置数据Cl被输出到控制设备23，并且存储于其中。另一方面，由测量头8a测得的工件9的距离数据Bl被输出到控制设备23，并且存储于其中。控制设备23通过在位置数据Cl和距离数据Bl的基础上进行计算，从而获得工件9的二维或三维形状数据。上述配置的测量装置20a以及根据设备20a的工件测量方法带来了与第一实施例相似的效果。沿着每一个轴方向的位置检测设备30将位置数据Cl的反馈信号Kx、Ky和Kz输出到模块四的位置数据临时存储器31。临时存储于位置数据临时存储器31中的位置数据 Cl被输出到控制设备23，并存储于其中。由测量头8a测得的距离数据Bl被输出到模块四的距离数据临时存储器32并临时存储在距离数据临时存储器32中，并且接着被输出到控制设备23并存储于其中。在机床101上，刀具(未显示)或测量头8a可拆卸地连接于主轴4的尖端。NC设备13控制ATC 14，ATC 14分别自动地更换主轴4上的刀具和测量头8a。测量头8a被ATC 14自动更换，以便连接于机床101的主轴4或者从主轴4拆下。因此，机床101是执行三轴控制的加工中心，该三轴控制使得刀具或测量头8a以及工件9沿着X轴、Y轴和Z轴三个垂直坐标轴相对地且沿直线移动。机床101的配置等同于第一实施例中的机床1，除了测量头8a为无线型的。测量装置20a和利用测量装置20a的工件测量方法可以通过测量头8a以非接触 (或接触)方式对工件9进行测量，测量头8a连接于机床101的主轴4。由于测量头8a为无线型，所以测量装置20a具有用于利用测量头8a执行无线传输和接收的收发器22，测量头8a连接于主轴4。设置到模块四的脉冲输出单元M将定时脉冲P输出到收发器22。定时脉冲P用在收发器22，以协调定时。以无线方式在收发器22和测量头8a之间传输并接收包括测量指令f和距离数据的信号F。当从脉冲输出单元M接收定时脉冲P时，收发器22将测量指令f的信号F传输到测量头8a，信号F已被协调为定时脉冲P的定时。当测量指令f被输入到测量头8a时，测量头8a测量从测量头8a到工件9的距离 D。包括测得数据的信号F以无线方式从测量头8a传输到收发器22。收发器22将从测量头8a接收的距离数据Bl传输到模块四。接着，距离数据Bl被发送到控制设备23。因此，正如所描述的，在本实施例中，测量指令f的信号F以无线方式从收发器22 传输到测量头8a。在接收测量指令f时，测量头8a测量从测量头8a到工件9的距离D。当进行测量时，测量头8a并不与工件9接触。因此，测量头8a能够安全地高速扫描，而没有振动(或者只有轻微振动)，从而可以在短时间内对工件9进行大范围测量。接下来，将描述第一和第二实施例的本发明的另一示例性变型。尽管在每一个上述实施例所示的配置中，控制设备23和外部模块四彼此独立，但是它们可以不独立。例如，存在控制设备23和外部模块四放置在一起的情况，或者控制设备23和外部模块四中的任一者设置在另一个之内的情况。上述实施例中的每一个的外部模块四分出并取得反馈信号Kx、Ky和Kz，反馈信号 Kx、Ky和Kz从位置检测设备30反馈到NC设备13。换句话说，尽管用于反馈目的的位置检测设备30还用于测量工件9，但是本发明的位置检测设备30可以是独立地添加的设备，只用于专门用作测量工件9。在此情况下，连接有测量头8和8a的可移动坐标轴的位置数据 Cl是从专用位置检测设备30输出的数据。下面将描述具有专用于测量工件的位置检测设备30的工件测量装置以及方法。当从沿着每一个坐标轴方向(X轴、Y轴和Z轴)的位置检测设备30输出测量头8 和8a相对于工件9上的测量点S的位置数据时，外部模块四以恒定时间间隔ΔΤ规则地读取并取得输出信号Kx、Ky和Kz。测量头8和8a的位置数据Cl是至少两个坐标轴(Z轴和X轴)的位置数据，所述至少两个坐标轴包括第一轴方向(沿着Z轴)和第二轴方向(沿着X轴)，测量头8和8a 在第二轴方向上扫描。模块四以恒定时间间隔Δ T规则地读取从位置检测设备30输出的输出信号Κχ、 Ky和Κζ，并且从输出信号Kx、Ky和Kz取得沿着测量头8和8a的三个垂直坐标轴的位置数据 C1(X，Y，Z)。位置检测设备30仅用于测量工件9。因此，测量装置20和20a以及位置检测设备 30可以独立地且自由地进行设计或修改，而不会受限于用于NC设备13的位置检测设备的设计标准或配置。上述实施例的每一个的机床1和101是执行三轴控制的加工中心，该三轴控制使得主轴4和工件9沿着X轴、Y轴和Z轴三个垂直坐标轴相对地直线移动。对于又一个示例性变型，机床可以是四轴或五轴控制的机床。该机床执行三轴控制和能够以一个或一个以上枢转轴(B轴和C轴)进行相对回转运动的控制，所述三轴控制使得主轴4和工件9沿着X轴、Y轴和Z轴三个垂直坐标轴相对地直线移动。对于该示例性变型，连接于可移动单元(例如，轴头5或刀架)的测量头8和8a可以沿着三个垂直坐标轴相对于工件9移动，并且围绕枢转轴回转。当从位置检测设备反馈或输出沿着至少两个轴的位置数据(在此情况下，为沿着三个垂直坐标轴且围绕枢转轴的位置数据)时，模块四以恒定时间间隔ΔΤ规则地取得反馈信号(或输出信号)，所述至少两个轴包括测量头8和8a相对于工件9上的测量点的第一轴方向(沿着Z轴)以及第二轴方向(沿着X轴)，测量头8和8a在第二轴方向上扫描。模块四随后从反馈信号(或输出信号)取得测量头8和8a的位置数据，反馈信号(或输出信号)从位置检测设备被反馈(或被输出)。图6为根据示例性变型的工件测量装置20b的配置的略图，其中设置有延迟电路 63。图7为根据示例性变型的工件测量装置20c的配置的略图，其中设置有前置系统65。 在此，与上述实施例的零件相同或等同的零件具有相同的附图标记，并且省略这些相同或等同的零件描述。对于图6所示的测量装置20b，延迟电路63设置到电路62，其中定时脉冲P从外部模块四的脉冲输出单元M输出到位置检测设备30。本来要输入到位置检测设备30的定时脉冲P由此被输入到位置检测设备30，并且通过延迟电路63有意地延迟成预设时间差。相比而言，对于图7所示的测量装置20c，前置系统65设置到电路64，其中定时脉冲P从外部模块四的脉冲输出单元M输出到位置测量头8和8a。包括本来要输入到测量头8和8a的定时脉冲P的信号F由此被输入到测量头8和8a，并且通过前置系统65有意地加速成预设时间差。如上所述，设置延迟电路63或前置系统65可使第一时间易于与第二时间一致。第一时间是测量头8和8a根据用于测量头8、8a的定时脉冲P的指令而开始测量与工件9的距离D的时间。第二时间是模块四根据用于位置数据的定时脉冲P的指令而开始取得相对于测量点的沿着测量头8和8a至少两个坐标轴的位置的时间。换句话说，因为上述的第一和第二时间一致，所以取得测量头8和8a的位置数据 Cl的时间间隔ΔΤ可以与由测量头8和8a测量距离的时间间隔相同。因此，通过对所取得的距离测量数据Bl和测量头8和8a的位置数据Cl进行计算，从而得到工件9的位置。因此，在移动测量头8和8a带来与上述实施例类似的效果的同时，工件9的连续形状可以通过执行连续测量而进行测量。根据本发明的工具测量装置和测量机床上的工件的方法可应用于加工中心之外的机床，例如多轴车削中心、车床、车削机床、磨床、激光束机床等等，并且能够以非接触 (或接触)方式测量工件。尽管已经描述了本发明的实施例(包括各个示例性变型)，但是本发明并不限制于前述实施例，并且各种修改形式、增加形式等等可以处于本发明的范围之内。
权利要求
1.一种工件测量装置(20、20a、20b、20c)，其通过测量头(8,8a)来检测工件(9)的位置和形状，该测量头(8、8a)连接于机床(1、101)的可移动单元(5)，该可移动单元(5)在 NC设备(13)控制的所述机床(1、101)的加工区域之内相对于所述工件(9)移动，其中所述测量头(8、8a)是位移传感器，能够测量其与工件(9)的距离⑶并且输出距离数据(Bi)，在所述NC设备(13)的外部设置有外部模块(29)，以取得连接有所述测量头(8、8a)的所述可移动单元(5)的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据(Cl)，对所述外部模块(29)进行配置，使得连接于所述可移动单元(5)的所述测量头(8、8a) 的位置数据(Cl)与所述测量头(8、8a)的距离测量在相同的时间间隔(ΔΤ)内取得，对取得的所述距离测量数据(Bi)和所述测量头(8、8a)的所述位置数据(Cl)进行计算，从而获得所述工件(9)的位置，并且在移动所述测量头(8、8a)的同时进行连续的测量，从而测得所述工件(9)的连续的形状。
2.根据权利要求1所述的工件测量装置(20、20a、20b、20c)，在机床(1、101)上的该工件测量装置包括存储器(31、32)，该存储器(31、32)在相同时间点上组合并存储所述可移动坐标轴的所述位置数据(Cl)以及所述距离数据(Bi)，所述位置数据(Cl)由沿着所述可移动单元 (5)的每一个坐标轴方向的位置检测设备(30)输出，所述距离数据(Bi)由所述测量头(8、 8a)测得。
3.根据权利要求1或2所述的工件测量装置(20、20a、20b、20C)，该工件测量装置在机床(UlOl)上，其中连接有所述测量头(8、8a)的所述可移动坐标轴的所述位置数据(Cl)是从所述 NC设备(13)使用的电机编码器信号分出的数据，或者是从单独添加的专用位置检测设备 (30)输出的数据。
4.一种测量机床上的工件的方法，所述方法通过测量头(8、8a)来检测工件(9)的位置和形状，该测量头(8、8a)连接于机床(1、101)的可移动单元(5)，该可移动单元(5)在NC设备(13)控制的所述机床(1、 101)的加工区域之内相对于所述工件(9)移动，其中在所述方法中使用了工件测量装置(20、20a、20b、20c)，所述测量头(8、8a)是位移传感器，能够测量其与工件(9)的距离⑶并且输出距离数据(Bi)，在所述NC设备(13)的外部设置有外部模块(29)，以取得连接有所述测量头(8、8a)的所述可移动单元(5)的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据(Cl)，对所述外部模块(29)进行配置，使得连接于所述可移动单元(5)的所述测量头(8、8a) 的位置数据(Cl)与所述测量头(8、8a)的距离测量在相同的时间间隔(ΔΤ)内取得，对取得的所述距离测量数据(Bi)和所述测量头(8、8a)的所述位置数据(Cl)进行计算，从而获得所述工件(9)的位置，并且在移动所述测量头(8、8a)的同时进行连续的测量，从而测得所述工件(9)的连续的形状。
全文摘要
工件测量装置(20)和测量机床上的工件的方法，该装置具有设置在NC设备(13)外部的外部模块(29)，以取得连接有测量头(8)的可移动单元的一个或一个以上可移动坐标轴的位置数据(C1)。所述测量头的位置数据(C1)与所述测量头的距离测量在相同的时间间隔内取得。对取得的所述距离测量数据(B1)和所述测量头的所述位置数据(C1)进行计算，从而获得所述工件(9)的位置。在移动所述测量头的同时进行连续的测量，从而测得所述工件(9)的连续的形状。因此，无需修改或改变，例如无需为NC设备添加新功能。此外，本发明可应用于配备有任何配置的NC设备的任何机床，而不受限于NC设备的限制。
文档编号B23Q17/20GK102211294SQ201110084739
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月1日 优先权日2010年4月12日
发明者上野谦一郎, 大野胜彦, 森田尚义, 西川静雄 申请人:株式会社森精机制作所