专利名称：用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过测量头对机床上的工件进行测量的方法和仪器，所述机床具有附接至其上的测量头，所述测量头能够相对于工件进行移动和回转，所述测量头包括三维偏置(offset)。
背景技术：
对于诸如加工中心或者多轴车削中心的机床，已经提出了在加工之后不从机床拆卸工件的情况下对附接至该机床的工件的表面形状进行测量的多种技术。相应地，测量头附接至机床，通过使得测量头相对于工件移动而对工件进行测量。 附接至机床的测量头的长度通常通过使用接触式传感器或仪表来单独地进行测量。此外，还可以在机床的预定位置以高精度安装参考对象，例如参考球，并且通过使用测量头对参考对象进行测量而获取测量头的长度。然而，在这种情况下，参考对象不得不通过使用千分表或类似物进行初步测量。日本公布专利申请No. 4-203917描述了一种三维测量仪表的标定方法。这种技术涉及用于测量自由形式表面(例如，非球面透镜)的形状的三维测量仪表。该测量仪表通过使用探头(等同于本发明的测量头)来进行测量。然而，这种三维测量仪表并不适合于通过使用探头来测量探头本身的长度。虽然这种基于常规技术的标定方法使用了参考球形表面，但其还是必须单独地使用另一测量仪表来对参考球形表面进行测量。本发明的目的是，提供一种用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器，设想本发明的目的是为了解决上述问题。所述方法和仪器能够有效地使用测量头固有的测量功能来对工件进行测量，以获取测量头本身的三维偏置，并且能够通过在任意位置简单地安装参考对象(例如参考球)通过测量头对工件进行测量，而无需单独地使用另一测量仪表 (例如接触式传感器或者千分表)。在这里，上述术语“偏置”是一个向量，其具有测量头的固有机器坐标和测量头的测量参考位置坐标之间的长度和方向。
发明内容
为了达到上述目的，根据本发明提供了一种通过包括三维偏置的有线或无线测量头来对工件进行测量的第一方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线移动，并且能够通过一个或更多回转主轴而相对于所述工件改变角度方向，所述方法包括以下步骤在由所述测量头改变的相对角度方向上对放置在任意位置的参考对象进行多次测量；根据沿着三条垂直轴线从相对角度方向测量的测量结果的改变计算所述测量头的三维偏置；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。特别地，提供了一种通过包括三维偏置的有线或无线测量头来对工件进行测量的第二方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线回转和移动，所述方法包括以下步骤使得所述测量头回转预定角度，以通过所述测量头分别从第一方向和第二方向对放置在任意位置的参考对象进行测量，从而获取所述参考对象的固有特定点的坐标；基于所述测量头从所述第一方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第一机器坐标以及所述测量头从所述第二方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第二机器坐标而对所述测量头的三维偏置进行计算；以及随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。提供了一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的第三方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线的除了所述测量头并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，所述方法包括以下步骤使得所述测量头回转预定角度，以通过所述测量头分别从第一方向和第二方向对放置在任意位置的参考对象进行测量，从而获取所述参考对象的固有特定点的坐标；根据所述测量头从所述第一方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第一机器坐标以及所述测量头从所述第二方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第二机器坐标，获取在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置；通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度，并且利用所述激光束的倾斜角度计算在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置；基于在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置并且基于在所述测量头并不沿着移动的一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头的三维偏置；以及随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。提供了一种通过使用附接至机床并且包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对附接至工作台的工件进行测量的第四方法，所述工作台能够围绕所述机床上的回转中心进行回转，所述方法包括以下步骤将具有固有特定点的参考对象放置在所述工作台上的任意位置；通过所述测量头对面对第一方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第一机器坐标的点集(point group)以及离开参考位置的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标；
随后，使得所述工作台围绕所述回转中心回转预定角度；通过所述测量头对面对第二方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第二机器坐标的点集以及离开所述参考位置的距离数据；使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标；基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实获取所述测量头的三维偏置，所述虚拟三角形由所述第一虚拟参考对象的第一特定点、所述第二虚拟参考对象的第二特定点和虚拟回转中心形成，所述实际三角形由所述工作台回转所述预定角度之前和之后的所述实际参考对象的各个特定点和实际回转中心形成；以及随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。提供了一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的第五方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线的除了所述测量头并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，所述方法包括以下步骤将具有固有特定点的参考对象放置在所述工作台上的任意位置；通过所述测量头对面对第一方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第一机器坐标的点集以及离开参考位置的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标；随后，使得所述工作台围绕所述回转中心回转预定角度；通过所述测量头对面对第二方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第二机器坐标的点集以及离开所述参考位置的距离数据；使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标；基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实获取所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置，所述虚拟三角形由所述第一虚拟参考对象的所述第一特定点、所述第二虚拟参考对象的所述第二特定点和虚拟回转中心形成，所述实际三角形由所述工作台回转所述预定角度之前和之后的所述实际参考对象的所述各个特定点和所述实际回转中心形成；通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度，并且利用所述激光束的倾斜角度计算在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置；基于在所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置并且基于在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头的三维偏置；以及随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
提供了一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的第六方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或者两条垂直轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，所述方法包括以下步骤独立地通过根据所述第二、第三或第四方法的每个程序或者通过多个所述程序的组合获取在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置；通过根据所述第三或第四方法的每个程序，获取在所述测量头的剩余一条轴线的方向上的偏置；基于在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置以及所述剩余一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头的三维偏置；以及随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。提供了一种机床上的工件测量仪器，用于通过所述第一至第六方法的任意一种方法通过使用所述测量头而对所述工件进行测量。根据本发明的用于在机床上对工件进行测量的方法和仪器根据上述方式进行配置，从而能够有效地使用测量头固有的测量功能来对工件进行测量，以获取测量头本身的三维偏置，并且能够通过在任意位置简单地安装参考对象(例如参考球)通过使用测量头对工件进行测量，而无需单独地使用另一测量仪表(例如接触式传感器或者千分表)。
图1至图9示出了本发明的第一实施方案，图1是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；图2是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；图3是示出了非接触式测量头的配置的示意图；图4是示出了接触式测量头的配置的示意图；图5是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之前进行测量；图6是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之后进行测量；图7是一幅解释性的图，示出了由测量头测量的各个元素之间的关系；图8A是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的方法；图8B是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的另一种方法；图8C示出了参考对象是多角棱锥时的外部视图；图8D示出了参考对象是长方体时的外部视图；图9是示出了获取测量头的三维偏置的程序的流程图；图10至图13示出了本发明的第二实施方案，图10是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；图11是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；图12A和图12B是解释性的图，示出了利用激光束的倾斜角度对沿着Y轴线的偏置进行计算；图13是一幅解释性的图，示出了用于获取激光束的倾斜角度的一种装置；
图14至图19示出了本发明的第三实施方案，图14是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；图15是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；图16是一幅解释性的图，其中参考球在工作台回转之前进行测量；图17是一幅解释性的图，其中参考球在工作台回转之后进行测量；图18是示出了用于获取测量头的三维偏置的方法的解释性的图；以及图19是示出了获取测量头的三维偏置的程序的流程图。
具体实施例方式对于根据本发明的用于对工件进行测量的方法中的机床l、la和101，附接至机床 l、la和101的有线或无线测量头10、10a和IOb可以沿着三条垂直轴线或者两条垂直轴线相对于工件移动。在测量头10、10a和IOb中，相对于工件的角度方向能够通过一个或更多回转主轴改变。然后，通过包括三维偏置R的测量头10、IOa和IOb对工件进行测量。在这种方法中，通过测量头10、10a和IOb对放置在任意位置上的参考对象30、30a 和30b进行多次测量，同时测量头10、10a和IOb改变相对角度方向。根据沿着三条垂直轴线从相对角度方向测量的测量结果的改变计算测量头10、10a和IOb的三维偏置R。随后， 通过使用测量头10、IOa和IOb本身的三维偏置R通过测量头10、IOa和IOb而对工件进行测量(图1至图19)。因此，能够达到以下目的有效地使用测量头固有的测量功能来对工件进行测量， 以获取测量头本身的三维偏置，并且通过测量头对工件进行测量，而无需单独地使用另一测量仪表(例如接触式传感器或者千分表)。在每个以下实施方案中，显示了机床是多轴车削中心的情况。机床也可以是立式加工中心、卧式加工中心、车床或磨床。(第一实施方案)以下将参考图1至图9对本发明的第一实施方案进行描述。图1是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图，图2是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图。图3是示出了非接触式测量头的配置的示意图，图4是示出了接触式测量头的配置的示意图。图5是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之前进行测量；图6是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之后进行测量；图7是一幅解释性的图，示出了由测量头测量的各个元素之间的关系。图8A是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的方法；图8B是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的另一种方法；图8C示出了参考对象是多角棱锥时的外部视图；图8D示出了参考对象是长方体时的外部视图。图9是示出了获取测量头的三维偏置的程序的流程图。如图1至图3所示，本实施方案描述了机床1是多轴车削中心的情况。机床1包括刀架3、支撑工件4的头架5、支撑工件4的端部的辅助头架(或尾架)6以及转塔7。头架5的卡盘8夹持工件4并且旋转地对其进行驱动，如箭头Cl所示。转塔7具有附接在其上的多个刀具。安装在刀架3上的主轴2具有可拆卸地安装在其上的刀具18，用于对工件4进行车削或切削。刀具18是通过ATC(自动换刀装置)16进行更换的。刀具18对夹持至头架5的卡盘8的工件4进行加工。存在附接至主轴2的若干类型的刀具18，例如用于车削的刀具或者由主轴2旋转驱动的旋转刀具。机床1作为车床工作，用于通过刀架3的刀具18或者通过转塔7的刀具对工件4 进行车削；并且作为加工中心工作，用于通过刀架3的刀具18对工件4进行切削。当机床1用作车床的时候，工件4旋转以被刀具18车削，而附接至主轴2的刀具 18并不旋转。可替代地，工件4旋转以被附接至转塔7的刀具车削。当机床1用作加工中心的时候，刀具18被主轴2旋转以对工件4进行切削，工件 4不旋转。在这种场合，刀架3展现了其作为加工中心的主轴头的功能性。从机床1的前部看的上和下、后和前、左和右方向分别定义为X轴线方向、Y轴线方向和Z轴线方向。相互垂直的X轴线、Y轴线和Z轴线构成了三条垂直轴线。安装在机床1的机身12上的Z轴线移动构件13被Z轴线驱动机构驱动，以沿着Z 轴线移动。安装在ζ轴线移动构件13上的X轴线移动构件14被X轴线驱动机构驱动，以沿着X轴线移动。安装在X轴线移动单元14上的Y轴线移动构件15被Y轴线驱动机构驱动，以沿着Y轴线移动。辅助头架6安装为面对头架5，并且可以沿着平行于Z轴线的Zl轴线移动。辅助头架6的卡盘能够夹持工件4并且使得工件4如箭头C2所示进行旋转。转塔7可以分别沿着平行于X轴线的Xl轴线以及沿着平行于Z轴线的Z2轴线进行移动。机床1受到机床控制单元的控制，机床控制单元包括NC (数字控制)单元11和 PLC (可编程逻辑控制器)。NC单元11分别对Z轴线驱动机构、X轴线驱动机构和Y轴线驱动机构进行控制。 NC单元11对辅助头架6的移动机构和转塔7的移动机构以及ATC 16进行控制，ATC 16自动对主轴2上的刀具18进行更换。刀架3 (其是可移动单元)安装在Y轴线移动构件15的前面。工件测量仪器20 的有线测量头10附接至图1中所示的机床1上的刀架3。使用图2中所示的机床1，工件测量仪器20a的无线测量头IOa能够附接至刀架3。如图1和图2中所示，刀架3分别由Z轴线移动构件13、X轴线移动构件14和Y 轴线移动构件15驱动，并且分别沿着Z轴线、X轴线和Y轴线移动。Y轴线移动构件15的中心轴线(即，B轴线)平行于Y轴线。附接至刀架3的刀具18以及测量头10和IOa分别由Z轴线移动构件13、X轴线移动构件14和Y轴线移动构件15驱动，并且分别沿着Z轴线、X轴线和Y轴线移动。从而，可拆卸地附接至刀架3的主轴2的刀具18以及附接至刀架3的测量头10 和IOa可以沿着三条(或两条)垂直轴线相对于工件4移动。如箭头Bl所示，刀架3能够围绕用于回转的B轴线进行回转。因此，附接至刀架3的测量头10和IOa也能够围绕B轴线进行回转。容纳有线测量头10的外壳19附接至图1中所示的机床1的刀架3的前部。外壳 19支撑测量头10，从而使得测量头10能够进入其中并且从其中离开。在使用测量头10的时候测量头10从外壳19向下突出，在不使用测量头10的时候测量头10回缩进入外壳19。测量头10对于处于从外壳19向下暴露的状态中的工件4 进行测量。支撑测量头10的外壳19可以安置在刀架3的侧面。图1中所示的工件测量仪器20包括控制机床1的NC单元11、附接至刀架3以对工件4进行测量的有线测量头10以及对工件测量仪器20进行控制的测量仪器控制单元 (例如，个人计算机)24。附接至刀架3的测量头10经由线40电连接至工件测量仪器20。当通过工件测量仪器20对工件4进行测量的时候，测量指令或离开工件4的距离的数据通过线40在刀架 3的测量头10和测量仪器控制单元M之间进行发送。在工件测量仪器20中，由测量头10测量的距离数据经由线40从测量头10输出至测量仪器控制单元24。NC单元11将测量头10的位置数据输出至测量仪器控制单元24。测量仪器控制单元M通过进行基于位置数据和距离数据的计算而获取工件4的二维或三维形状数据。因此，工件测量仪器20能够进行工件4的二维或三维测量。当在图2中所示的机床1上对工件4进行测量的时候，无线测量头IOa可拆卸地附接至刀架3的主轴2。NC单元11对ATC 16进行控制，ATC 16自动地更换附接至主轴2 的刀具18和测量头10a。因此，附接至刀架3的主轴2的刀具18或测量头IOa分别由Z轴线移动构件13、 X轴线移动构件14和Y轴线移动构件15驱动，并且分别沿着Z轴线、X轴线和Y轴线移动。可拆卸地附接至刀架3的主轴2的刀具18和测量头IOa能够相对于工件4沿着三条垂直轴线(或两条垂直轴线)移动，并且围绕B轴线进行回转，如箭头Bl所示。在图2中所示的工件测量仪器20a包括NC单元11、可拆卸地附接至主轴2以对工件4进行测量的无线测量头10a、与测量头IOa来来回回进行传递和接收的收发器23以及对工件测量仪器20a进行控制的测量仪器控制单元M。当通过工件测量仪器20a对工件4进行测量的时候，包括测量指令和离开工件4 的距离的数据的信号F在收发器23和附接至主轴2的测量头IOa之间通过无线方式进行传递和接收。对于工件测量仪器20a，包括由测量头IOa测量的数据的信号F通过无线方式从测量头IOa传递至收发器23。通过收发器23从测量头IOa接收的关于工件4的距离数据输出至测量仪器控制单元对。NC单元11将测量头IOa的位置数据输出至测量仪器控制单元 24。测量仪器控制单元M通过执行基于位置数据和距离数据的计算而获取工件4的二维或三维形状数据。通过这种方式，工件测量仪器20a能够进行工件4的二维或三维测量。如图1至图3中所示，机床1上的工件测量仪器20和20a以及使用该仪器对工件进行测量的方法能够通过使用激光束21 (可替代地，超声波、热或电磁波，未示出)，通过附接至刀架3作为机床1的可移动单元的有线测量头10 (或无线测量头IOa)以非接触的方式对工件4进行测量。在这里，测量头10和IOa设置了参考位置1 和固有机器坐标Pb，参考位置1 存在于激光束21的轴线上，固有机器坐标1 位于激光束21的相反方向。测量头10和IOa 的参考位置1 是由激光振荡器产生的激光束21聚焦的点。
激光束21照射并聚焦在工件4的表面上的测量点上，然后在工件4的表面上的测量点等同于参考位置1 时，激光束21在测量点处被反射。反射的激光束21会聚为测量头 10和IOa中的(XD[电荷耦合器件]照相机的成像侧上的环状图像。本发明还能够应用于接触式有线(或无线)测量头IOb (图4)，以及上文描述的非接触式测量头10和10a。换言之，本发明的测量头具有以下功能的一个或两个使用激光束21、超声波、热或电磁波以非接触的方式对工件4进行测量，以及通过与工件4接触的接头22以接触的方式对工件进行测量。当测量头是具有接头22的接触类型的时候，附接至机床的有线或无线测量头IOb 使得接头22与工件4接触并且对工件4进行测量。对于接触式测量头10b，接头22的端部与工件4接触的位置就是参考位置1^。如图1至图3中所示，测量头10和IOa测量到达工件4的距离Dl和D2，假定参考位置1 处的距离是士0謹。例如，如果工件4从参考位置1 向下分离距离Dl，测量头10和IOa从参考位置 Pa向下移动距离Dl。其结果是，参考位置1 与工件4的表面匹配，从而激光束21聚焦在该表面上。由于到达工件4的距离Dl (例如，Dl = +5mm)根据测量头的移动是已知的，所以表面上的工件4的位置得以测量。相反地，如果工件4从参考位置1 向上分离距离D2，测量头10和IOa从参考位置 Pa向上移动距离D2。然后，参考位置1 与工件4的表面匹配，从而激光束21聚焦在该表面上。其结果是，由于到达工件4的距离D2(例如，D2 = -5mm)根据测量头的移动是已知的，所以表面上的工件4的位置得以测量。对于测量头10和10a，理想情况是，平行于X轴线(竖直方向)穿过固有机器坐标 Pb的轴线CLl等同于在测量头10和IOa处产生的激光束21的轴线方向。然而，经常出现的情况是，由于测量头10和IOa制造或组装时出现的误差，激光束 21的轴线对于平行于X轴线的轴线CLl是倾斜的。例如，对于激光束21，我们假定，激光束 21在X、Z平面中以倾斜角度α倾斜，并且激光束21在X、Y平面中以倾斜角度β倾斜。其结果是，测量头10和IOa包括三⑶维偏置R。测量头10和IOa的三维偏置R 是一个向量，其具有测量头的测量参考位置1 的坐标和测量头的固有机器坐标(例如，主轴2的端部的位置) 之间的长度和方向。因此，当通过工件测量仪器20和20a上的测量头10和IOa对工件4进行测量的时候，需要三维偏置R来对测量结果进行计算，三维偏置R包括激光束21的光学轴线的定向以及在光学轴线上从参考位置(激光束21的焦点) 到测量头10和IOa的固有机器坐标1 的长度。因此，能够通过使用测量头10和IOa本身的三维偏置R通过测量头10和IOa而对工件4进行测量。接下来，将对获取测量头10和IOa的三维偏置R的方法进行描述。如图1至图9中所示，测量头10和IOa与刀架3—起回转预定角度θ。通过测量头10和10a，分别从第一方向El和第二方向E2对参考球(即，标准球体)30 (其是放置在任意位置上的参考对象)进行测量。因此，从NC单元11获取了参考对象(参考球30)的固有特定点(在这里为中心点Al)的坐标(xc，yc, zc)。
接下来，从NC单元11获取了测量头10和IOa从第一方向El对参考对象(参考球30)的特定点(中心点Al)进行测量时测量头10和1(^的第一机器坐标？1&1，71，21)。 此外，从NC单元11获取了测量头10和IOa从第二方向E2对参考对象(参考球30)的特定点(中心点Al)进行测量时测量头10和IOa的第二机器坐标P2 (x2, y2，z2)。基于第一机器坐标Pl(xl，yl，zl)和第二机器坐标P2 (x2，y2，O，对测量头10和 IOa的三维偏置R进行计算。随后，工件测量仪器20和20a通过使用测量头10和IOa本身的三维偏置R通过测量头10和IOa而对工件4进行测量。在下文中将对获取测量头10和IOa的三维偏置R的程序进行具体描述。首先，刀架3定向至X轴线，从而测量头10和IOa定位为向下面对(步骤101)。转塔7 (或头架5的卡盘8)定位于非旋转状态并处于预定位置。在这种状态下， 参考球30经由支撑构件31临时放置在转塔7 (或头架5的卡盘8)上(步骤102)。在这种场合，不必以高精度将支撑构件31和参考球30附接于初步确定的给定位置，可以将它们附接于任意位置。优选的是，支撑构件31的一部分或全部由永磁体制成，因为支撑构件31和参考球30从而能够容易地附接至转塔7以及从转塔7拆卸。示出了具有中心点Al的参考球30是参考对象的情况(图8A和图8B)。在这里， 参考对象可以是多角棱锥30a (图8C)(例如具有作为特定点的顶点A2的三棱锥或四棱锥) 或者具有作为固有特定点的顶点A3的长方体30b (图8D)。在参考球30已经定位至转塔7之后，刀架3手动移动以将测量头10和IOa定位在参考球30的正上方。其结果是，测量头10和IOa向下回转以面对参考球30 (步骤103)。然后，测量头10和IOa获取参考球30的中心点Al的坐标(步骤104)。在这种情况下，如图8A中所示，通过激光束21对参考球30的轮廓的多个位置分别进行测量，通过使用最小二乘方法根据每次测量获得的点而获取中心点Al的坐标。可替代地，作为用于获取中心点Al的坐标的另一种方法，通过螺旋方式分别对参考球30的外周界上的若干点进行测量，如图8B中所示。中心点Al的坐标能够通过最小二乘方法根据测量获取的若干点而获得。图8A和图8B中的线L表示激光束21的轨迹，用于在通过激光束21进行测量的时候扫描参考球30的表面。一般而言，能够通过最小二乘方法进行以下计算。使用m组坐标X，y, ζ对参考球 30的中心点Al的坐标(xc，yc, zc)和半径r进行计算。球体(参考球30)的方程式给出如下(x-xc) 2+(y_yc)2+(z-zc)2 = r2......(1)系数a、b、c和d同样在以下方程式中使用。xc = -a/2 ......(2)yc = -b/2 ......(3)zc = -c/2 ......(4)r = SQRT [ (a2+b2+c2)/4-d]......(5)然后，球体的方程式通过如下方程式来表达。(x2+y2+z2) +ax+by+cz+d = 0......(6)
在数学分析中已知的是，每个变量的偏导数必须为0(零)。5J/5a = Σ [(X2+y2+ζ2)+ax+by+cz+d] X (χ) = 0……(7)5J/5b = Σ[(X2+y2+Z2)+ax+by+CZ+d]X(y) = 0……(8)5J/5c= Σ [(xH^+z^+ax+by+cz+d] X(Z)=O...... (9)aj/Sd= Σ [(x2+y2+z2)+ax+by+cz+d]X(l)=0...... (10)从上述方程式中获得了以下方程式。
权利要求
1.一种通过包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a、IOb)来对工件(4)进行测量的方法，其中附接至机床(l、la、101)的所述测量头(10、10a、10b)能够相对于所述工件(4)沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线移动，并且能够通过一个或更多回转主轴而相对于所述工件(4)改变角度方向，所述方法包括以下步骤在由所述测量头(10、10a、10b)改变的所述相对角度方向上对放置在任意位置的参考对象(30、30a、30b)进行多次测量；根据沿着所述三条垂直轴线从相对角度方向测量的测量结果的改变计算所述测量头 (IOUOaUOb)的所述三维偏置(R)；以及随后，通过使用所述测量头(10、10a、IOb)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头 (IOUOaUOb)而对所述工件(4)进行测量。
2.一种通过包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a、IOb)来对工件(4)进行测量的方法，其中附接至机床(1)的所述测量头(10、10a、IOb)能够相对于所述工件(4)沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线回转和移动，所述方法包括以下步骤使得所述测量头(IOUOaUOb)回转预定角度(θ )，以通过所述测量头(IOUOaUOb) 分别从第一方向(El)和第二方向(Ε》对放置在任意位置的参考对象(30、30a、30b)进行测量，从而获取所述参考对象(30、30a、30b)的固有特定点(A1、A2、A3)的坐标；基于所述测量头(10、10a、IOb)从所述第一方向(El)对所述参考对象(30、30a、30b) 的所述特定点(A1、A2、A3)进行测量时的所述测量头(10、10a、10b)的第一机器坐标(Pl) 以及所述测量头(10、10a、10b)从所述第二方向(E》对所述参考对象(30、30a、30b)的所述特定点(A1、A2、A3)进行测量时的所述测量头(10、10a、10b)的第二机器坐标(P2)而对所述测量头(10、10a、IOb)的所述三维偏置(R)进行计算；以及随后，通过使用所述测量头(10、10a、IOb)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头 (IOUOaUOb)而对所述工件(4)进行测量。
3.一种通过使用包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a)通过激光束来对工件(4)进行测量的方法，其中附接至机床(Ia)的所述测量头(10、10a)能够相对于所述工件(4)沿着三条垂直轴线的除了所述测量头(10、10a)并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，所述方法包括以下步骤使得所述测量头(10、10a)回转预定角度(θ )，以通过所述测量头(10、10a)分别从第一方向(El)和第二方向(Ε》对放置在任意位置的参考对象(30)进行测量，从而获取所述参考对象(30)的固有特定点(Al)的坐标；根据所述测量头(10、10a)从所述第一方向(El)对所述参考对象(30)的所述特定点 (Al)进行测量时的所述测量头(10、10a)的第一机器坐标(Pl)以及所述测量头(10、10a) 从所述第二方向(Ε》对所述参考对象(30)的所述特定点(Al)进行测量时的所述测量头 (IOUOa)的第二机器坐标(Ρ2)，获取在所述测量头(10、10a)沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置(Rx和Rz)；通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度(α和β )，并且利用所述激光束的倾斜角度(α和β)计算在所述测量头(10、10a)并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置(Ry)；基于在所述测量头(10、10a)沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的所述各个偏置 (Rx和Rz)并且基于在所述测量头(10、10a)并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的所述偏置(Ry)，计算所述测量头(10、10a)的所述三维偏置(R)；以及随后，通过使用所述测量头(10、10a)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、 IOa)而对所述工件(4)进行测量。
4.一种通过使用附接至机床(101)并且包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、 IOa)通过激光束来对附接至工作台(106)的工件(4)进行测量的方法，所述工作台 (106)能够围绕所述机床(101)上的回转中心(01)进行回转，所述方法包括以下步骤将具有固有特定点(Al)的参考对象(30)放置在所述工作台(106)上的任意位置； 通过所述测量头(10、10a)对面对第一方向(Ell)的所述工作台(106)上的所述参考对象(30)进行测量，从而获取所述测量头(10、10a)的第一机器坐标(Pb)的点集以及离开参考位置(Pa)的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象(30)的所述特定点(Al)的坐标和第一虚拟参考对象(30f)的第一特定点(Ala)的坐标；随后，使得所述工作台(106)围绕所述回转中心(01)回转预定角度(Θ)； 通过所述测量头(10、10a)对面对第二方向(E12)的所述工作台(106)上的所述参考对象(30)进行测量，从而获取所述测量头(10、10a)的第二机器坐标(Pb)的点集以及离开所述参考位置(Pa)的距离数据；使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象(30)的所述特定点(Bi)的坐标和第二虚拟参考对象(30g)的第二特定点(Bla)的坐标；基于虚拟三角形(Ga)与实际三角形(G)全等的事实获取所述测量头(10和IOa)的三维偏置(R)，所述虚拟三角形(Ga)由所述第一虚拟参考对象(30f)的所述第一特定点 (Ala)、所述第二虚拟参考对象(30g)的所述第二特定点(Bla)和虚拟回转中心(Ola)形成，所述实际三角形(G)由所述工作台(106)回转所述预定角度(Θ)之前和之后的所述实际参考对象(30)的所述各个特定点(Al和Bi)和所述实际回转中心(01)形成；以及随后，通过使用所述测量头(10、10a)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、 IOa)而对所述工件(4)进行测量。
5.一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线的除了所述测量头并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，所述方法包括以下步骤将具有固有特定点的参考对象放置在所述工作台上的任意位置； 通过所述测量头对面对第一方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第一机器坐标的点集以及离开参考位置的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象的所述特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标；随后，使得所述工作台围绕所述回转中心回转预定角度；通过所述测量头对面对第二方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第二机器坐标的点集以及离开所述参考位置的距离数据；使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象的所述特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标；基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实获取所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置，所述虚拟三角形由所述第一虚拟参考对象的所述第一特定点、 所述第二虚拟参考对象的所述第二特定点和虚拟回转中心形成，所述实际三角形由所述工作台回转所述预定角度之前和之后的所述实际参考对象的所述各个特定点和所述实际回转中心形成；通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度，并且利用所述激光束的倾斜角度计算在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置；基于在所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的所述各个偏置并且基于在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的所述偏置，计算所述测量头的所述三维偏置；以及随后，通过使用所述测量头本身的所述三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
6.一种通过使用包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a)通过激光束来对工件进行测量的方法，其中附接至机床的所述测量头(10、10a)能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或者两条垂直轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，所述方法包括以下步骤独立地通过根据权利要求2、3或4的每个所述程序或者通过多个所述程序的组合获取在所述测量头(10、10a)沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置；通过根据权利要求3或4的每个所述程序，获取在所述测量头(10、10a)的剩余一条轴线的方向上的偏置；基于在所述测量头(10、10a)沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置以及所述剩余一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头(10、10a)的所述三维偏置(R)；以及随后，通过使用所述测量头(10、10a)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、 IOa)而对所述工件进行测量。
7.一种机床上的工件测量仪器，用于通过根据权利要求1至6的的任意一项所述的测量方法通过使用所述测量头(10、10a、IOb)而对所述工件(4)进行测量。
全文摘要
本发明涉及用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器。附接至机床的测量头(10)回转预定角度θ。然后，从第一方向(E1)和第二方向(E2)由测量头(10)对参考球(30)测量。因此，获取参考球的中心点(A1)的坐标。测量头的第一机器坐标(P1)是测量头从第一方向对参考球的中心点(A1)测量时的坐标。测量头的第二机器坐标(P2)是测量头从第二方向对参考球的中心点(A1)测量时的坐标。基于测量头的第一机器坐标(P1)和第二机器坐标(P2)，获取测量头的三维偏置。随后，通过使用测量头的三维偏置由测量头对工件测量。其结果是，获取了测量头的三维偏置，从而能够通过测量头对工件进行测量，因为有效地使用了测量头固有的测量功能而无需单独地使用另一测量仪表。
文档编号G01B21/00GK102275094SQ20111016029
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月7日 优先权日2010年6月10日
发明者森田尚义, 滨中宏和, 西川静雄 申请人:株式会社森精机制作所