专利名称：补偿测量机器的源自机器的移动单元施加在机床上的载荷引起的机床变形的测量误差的 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及补偿测量机器的测量误差的方法和按该方法工作的测量机器，其中测量误差源自机器的移动单元施加在机床上的载荷引起的机床的变形。
背景技术：
如公知的那样，测量机器通常设有固定底座或机床以及移动单元，该移动单元被 设计成使一测量头根据坐标轴相对于机床在位于机床上方的测量空间内移动。移动单元通 常包括沿相对于机床为纵向的轴线移动的主车架(carriage)，以及由主车架承载且可沿相 应坐标轴移动的的一个或多个车架。机床可以是一体的，例如由花岗岩或铸铁制成，或者可包括这样一组构件，所述构 件彼此刚性固定以形成相当刚性的结构。机床通常具有两个功能支撑和约束被测量的工 件；以及沿机器的其中一个坐标轴定义用于移动单元的导向，尤其是用于机器主车架的导 向。前述类型的测量机器通常设有补偿几何误差的系统，即，设有补偿由于机器的构造缺陷而产生的测量误差的系统，这些构造缺陷例如为坐标轴的直线性误差、坐标轴之间 的正交性缺陷等。在机器的操作过程中，机床的可变弹性变形会由于随着车架位置变化机器的移动单元施加在机床上的载荷而产生。这会导致工件的位置和空间方位角相对于用于几何补偿 的空间方位角参考的变化。当前基于静态确定的补偿映射的补偿技术没有考虑该现象，这可能引起不可忽略的测量误差。
发明内容
本发明的目的是提出一种补偿方法，所述方法将解决已知方法固有的缺点，并且 尤其能够将由机床变形所引起的测量误差考虑在内，该机床变形是由于机器的移动单元施 加在机床上的载荷导致的。前述目的是通过根据权利要求1的补偿方法实现的。本发明还涉及根据所述方法操作的测量机器。
为了更好地理解本发明，下面结合附图以非限制性实例的方式描述本发明的优选 实施例，其中图1是根据本发明方法操作的测量机器的示意透视图；图2是图1中的机器在移动单元处于第一位置时的示意侧视图3是图2中的机器在移动单元处于第二位置时的示意侧视图；图4是机床的示意透视图，示出了由移动单元的重量引起的变形；图5是一表格的例子，其给出了在机器移动单元处于预设位置处时机床特定点的纵摇旋转(pitch rotation)和横摇旋转(rollrotation)；图6是本发明方法的方框图；以及图7是测量方法的方框图，其使用了利用本发明方法获得的校正后的补偿映射。
具体实施例方式参考图1，门座测量机器整体以1表示。现在就指出的是，形成本发明主题的方法 可用于补偿不同架构(例如具有水平臂或支柱)的机器的误差。机器1包括具有被设计成支撑待测量物体(未示出)的水平工作表面3的平面机 床2、以及可相对于机床2沿坐标轴移动的单元4。单元4包括可相对于机床2沿水平轴Y移动的主门座车架5 (下面为了简洁，称为 “门座5”)。门座5设有一对立柱(upright)6和7以及在立柱6和7之间延伸的横梁8，横 梁8平行于水平轴X且垂直于轴Y。单元4还包括由横梁8承载并可在横梁上沿轴X移动的辅车架9，以及由辅车 架9承载并可相对于辅车架9沿与轴X和Y正交的竖直轴Z移动的测量柱(measurement column)10。接触探针11可通过两轴连接设备(articulation device)(未示出)安装在柱10 的底端。门座5、车架9、和柱10可在由测量和控制单元12控制的相应电机(未示出)的 控制下移动。该测量和控制单元连接到与机器轴以及与探针11关联的位置传感器(未示 出)，以便接收来自探针的信号，从而能够采集机器轴的瞬时坐标。机器1装配有补偿几何误差的系统(该系统本身是已知的)。补偿是基于存储的 映射13进行的，该映射是在无载荷条件下经传统类型机器的动力学模型确定的。参考图1，工作表面3上标识有用于机器的几何补偿的固定参考设定位置 (reference setting position)REF0还定义了笛卡尔参考系xyz，其具有平行于机器的轴 X、Y、Z的轴和位于点REF的原点。补偿映射是以已知方式通过检测沿轴x、y、z以彼此之间有一定距离的方式适当设 置的点处的误差参数而获得的，因此这里不做详细说明。例如用干涉仪(interferometer) 针对前述的每个点执行相对于点REF的位置差分(differential position)测量，以及例 如用位于点REF的固定的倾斜仪(inclinometer)和安装在可移动单元4上的倾斜仪执行 倾角差分(differential inclination)测量。根据本发明，提出了一种额外的补偿方法，其还能够确定由于可移动单元4在机 床2上施加的载荷而导致的机床变形的影响。为了计量目的，所述影响基本导致了工件位 置和角方位的变化，这相对用于机器的几何补偿的空间方位角参考REF不是固定的。通过图2与图3的比较示意性地突出显示了所述变化，其中，随着由于机床2变形 导致的移动单元4的位置变化，工件W的位置和空间方位角的变化是明显的。假设一机器模型并假设出其尺寸和重量特征，则移动单元4的移动所导致的机床2的变形可以通过数值模拟方法(例如，通过有限元分析)高度精确地评估出。该计算还使得能够根据放置在工作表面上给定位置中的工件W的空间方位角的 变化确定对于机床2的变形影响(图4)。可替换地，在运行机器几何补偿的过程时，可通过实验方法检测出处于不同位置 中的工件的相同空间方位角变化。在任何情形中，一旦得知了放置在工作表面3上的工件W随机器移动单元4的位 置变化而得出的空间方位角变化，则可将这些空间方位角变化存储在机器的补偿映射中， 作为独立参数或是作为对现有参数的额外校正。使用所述参数，可以获得被检查的变形现象的补偿。可例如以如下一种方式在机器上进行数值模拟·在机器1的测量和控制单元12中结合有限元模型和相应计算程序；在每次放置 工件时，起动并运行计算程序；和·在机器1的测量和控制单元12中存储包含机床变形数据的映射，这些数据是预 先一次性(once and for all)对一预定义组载荷情况计算得到的。下面描述上述第二实施方式实施例的例子。根据假设，假定机床2变形引起的工件W的主空间方位角变化是绕水平轴(χ和y) 的旋转，而其他分量被忽略。然而，该补偿方法应被当作通用的并可用于任何变形分量。绕轴χ和y的旋转被称为纵摇(pitch)和横摇(roll)，其对应于如上所述惯常使 用的几何补偿所考虑的旋转，并且是参照相对于点REF固定的参考系统χ、y、ζ来理解的。一旦得知了机器1的几何特征，则可使用有限元计算来建立映射，所述映射包含 工作表面一系列特征点的垂直位移值。可根据格栅(grid)G布置所述点，该格栅G以适当 的间距(例如100mm)覆盖整个工作表面(图1)。垂直位移值是通过将移动单元4施加的载荷作为应力载荷而计算的。该计算是 随门座5的位置和辅车架9的位置沿其各自路径变化而执行的，其中伴有适当的移动间距 (如 100mm)。所述位移也参照相对于点REF固定的参考系χ、y、ζ。这样建立的变形映射存储在机器的测量和控制系统中，作为给定机器模型的特 征。根据本发明的优选实施例，该方法设想了一系列规则和假定，这些规则和假定使 得工件W的任何实际搁置模式(resting mode)均能够被还原为可用所选特征点表示的等 效标准模式。例如，所考虑的标准搁置模式可以如下a)搁置在任意三个点上；b)搁置在平行于XY定向的一矩形顶点处的四个点上；以及c)分布式(distributed)搁置在一矩形区域上，其平行于XY定向并近似计为网格 网眼的整数。一旦定义了标准搁置模式，则必须定义插值和计算规则，以便获得各种标准搁置 模式下工件的空间方位角变化，该控件方位角变化被理解为根据机器车架位置变化的纵摇 角(pitch angle)禾口横摇角(roll angle)。
例如，所述规则可以如下-在点搁置的情形中，每个搁置点的位移是通过对包含搁置点的栅格网格(mesh)顶点的位移进行插值来计算的；_在分布式搁置的情形中，搁置区域的旋转是根据区域顶点的位移来计算的。因此，在给定任何实际搁置载荷的情况下，可以通过如下处理计算工件的相应纵 摇旋转值和横摇旋转值·从变形映射中进行提取与靠近工件的搁置点或区域的格栅点有关的垂直位移 值； 计算搁置点的垂直位移(模式a和b)或搁置区域顶点的垂直位移(模式C)；以 及·计算工件W的纵摇旋转角和横摇旋转角。因此，对于给定的工件位置(图4)，可以获得并存储一表格，所述表格给出门座5 的位置(Y坐标)和辅车架9的位置(X坐标)变化时的纵摇旋转值和横摇旋转值。在图5 中提供了所述表格的一个实例。这样计算的旋转是工件相对于用于机器几何补偿的空间方位角参考(REF)的旋 转，并且由于所述门座相对于位置REF的空间方位角是已知的，因而该旋转可从工件的观 察点观察并作为机器门座5的旋转。因此所述旋转可用于校正(通过适当设定符号)，以便更新机器几何补偿映射的 与门座5有关的部分并因此校正对工件做出的测量。该方法是作为根据图6中方框图的处理程序执行的。第一输入方框15使得能够采集与工件搁置模式有关的数据。所述采集可通过手动输入执行。具体地，操作员输入(通过键盘或图形界面输入) 关于特定情形中工件的布置的数据-搁置模式，从可用标准模式中选择；_根据前面的选择，用于计算所必需的数据 搁置点的坐标；·矩形搁置区域的限制值X和Y。可替换地，上述数据采集的步骤可以是自动的在测量前的对准步骤过程中，测量 机器采集的点对于模式b)和C)可用来确定工件在工作表面上的位置。在随后的方框16中，程序从预定义的变形映射14中提取搁置模式中涉及的网格 点的垂直位移。然后控制进入到下一个处理方框17，其中基于上述规则处理与搁置模式有关的数 据，以便确定工件W的纵摇旋转和横摇旋转，即，几何补偿映射的校正值。最后，在方框18中，利用校正值校正几何补偿映射并因此计算出校正后的几何补 偿映射，这不仅取决于机器模型，还取决于所测量的工件以及该工件的搁置模式。在补偿步骤过程中输入和计算的数据集可被存储起来以供以后在类似工件的测 量情形中再使用。现在机器1就绪以执行测量周期。图7的方框图示出了工件测量过程。
控制从测量方框20 (其中机器1采集“原始”坐标，即尚未被补偿并因此存在几何 性质误差的坐标)进入方框21 (其中原始坐标是以与传统机器中发生的方式类似但却是根 据本发明通过校正后的几何补偿映射进行补偿)。因此，测量将会清除在检查时出现的现象的负面影响。如此计算的“校正后的”坐标被存储在方框22中。测量结束时，操作员可便利地选择(方框23)是否保持该校正后的映射有效，以用于测量相同类型的另一个工件，或返回到前面情形中(方框24用于复位补偿映射)。由于工件在工作表面上的位置和可能的搁置模式在理论上是无限的，作为以上所 述的总结，该方法可包括用于放置工件的指导说明，以便使实际工作条件尽可能地接近理 论模型中所考虑的条件，补偿基于理论模型中所考虑的这些条件进行。通过对所述补偿方法的特征的检查，可显然看出其优点。具体地，除了通常的几何补偿外，由机床2的变形引起的几何误差也被补偿，机床 2的该变形是由于机器的移动单元4施加在机床上的载荷导致的。这使得在补偿中可以将 工件的空间方位角变化考虑在内，该空间方位角变化取决于门座5和车架9的位置变化时 工件在机床上的搁置模式。最后，显然地，在不偏离所附权利要求限定的保护范围的情况下，可对这里所述的 方法做出修改和变化。具体地，尽管所述方法是针对门座机器描述的，但这完全是通用的，并可以用于任 何类型的机器，甚至是是非笛卡尔型机器。而且，尽管所述方法是参考对于旋转误差进行补偿而描述的，但可将其扩展为用 于校正由于移动单元施加的载荷引起的任何几何误差。
权利要求
一种补偿测量机器(1)的测量误差的方法，所述测量误差源自于所述测量机器(1)的移动单元(4)施加在所述测量机器(1)的机床(2)上的载荷导致的所述机床的变形，其特征在于，所述方法包括第一采集步骤(15)，在所述第一采集步骤中采集与工件(W)在所述机床(2)上的约束条件有关的第一数据；第二采集步骤(17)，在所述第二采集步骤中采集与所述测量机器(1)的移动单元(4)位置变化时机床(2)的变形有关的第二数据；以及第三计算步骤(18)，在所述第三计算步骤中根据所述第一数据和所述第二数据计算出校正值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三步骤包括计算用于校正预先存 储的几何补偿映射(13)的数据的步骤(17)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第三步骤包括根据所述第一数据 和所述第二数据计算工件的空间方位角变化的操作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工件的空间方位角是基于所述机床 (2)的表示工件位置的各点的垂直位移来计算的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二数据包括所述机床 (2)的工作表面(3)上的格栅(G)的各点的垂直位移，所述垂直位移是随着所述移动单元 (4)的位置变化来计算的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一步骤(15)包括从多 个标准搁置模式中进行选择。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准搁置模式至少包括搁置在三个 点上的模式。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准搁置模式至少包括搁置在一矩 形的顶点处的四个点上的模式，所述矩形平行于所述工作表面(3)的两个坐标轴(X，Y)而定向。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准搁置模式至少包括分布式搁置 在一矩形区域上的模式，所述矩形区域沿平行于所述工作表面(3)的两个坐标轴(X，Y)的 方向而定向。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述校正值是基于简化模型 来计算的，所述简化模型仅考虑了所述工件(W)相对于所述工作表面的坐标轴(X，Y)的旋转。
11.一种测量机器，其包括机床⑶和用于使一测量传感器(11)相对于所述机床(2) 移动的移动单元(4)，其特征在于，所述机器包括用于补偿源自所述机床(2)的变形的测量 误差的系统，所述变形是由所述移动单元(4)施加在所述机床(2)上的载荷引起的，所述系 统根据前述权利要求中任一项所述的方法进行操作。
全文摘要
本发明提供了一种补偿测量机器(1)的测量误差的方法，该测量误差源自于由机器(1)的移动单元(4)施加在机床上的载荷导致的机器(1)机床(2)的变形，其包括第一采集步骤，在该第一采集步骤中采集与工件(W)在机床(2)上的搁置模式条件有关的第一数据；第二采集步骤，在该第二采集步骤中采集与机床(1)的移动单元(4)位置发生变化时机床(2)的变形有关的第二数据；以及第三计算步骤，在该第三计算步骤中根据所述第一和第二数据计算出校正值。
文档编号G01B11/00GK101802548SQ200780100679
公开日2010年8月11日 申请日期2007年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者洛伦佐·梅洛 申请人:海克斯康测量技术有限公司