具有高精度3d打印功能的坐标测量机的制作方法

文档序号:8410283阅读:617来源:国知局
具有高精度3d打印功能的坐标测量机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用坐标测量机(CMM)构建物体的方法以及为此所设置的坐标测量机。
【背景技术】
[0002]在很多的技术应用领域,需要高精度地测量物体的表面,并借此对物体本身进行测量。这尤其适用于制造业,对于制造工业来说,对工件表面的测量和检测是十分重要的,并且还尤其用于质量控制。
[0003]对于这些应用来说,通常使用坐标测量机,坐标测量机能够精确测量物体表面的几何形状,通常具有微米级精度。待测物体可以例如是发动机组,变速器和工具。已知坐标测量机通过产生力学接触和扫描表面来对表面进行测量。例如在专利文献DE43 25 337或DE 43 25 347中描述的龙门式测量机。另一个系统是基于对连接臂的使用,该连接臂的测量传感器设置在多部件臂(multipart arm)的末端,能够沿着表面移动。这种类型的连接臂被例如描述在专利文献US 5,402,582或EP I 474 650中。
[0004]在现有技术中,触感传感器是在这种坐标测量装置中使用的标准测量传感器,所述触感传感器例如由安装在测量杆上的红宝石球组成。当坐标测量机被设计为用于在相互垂直的X、Y和Z三个方向进行三维测量时,在扫描过程中通过切换元件或路径测量元件来确定触感传感器的偏转。根据切换点或偏转路径计算接触的位置,从而计算表面坐标。
[0005]为了根据测量数据重建表面轮廓,必须考虑传感器自身的机械尺寸及其在与物体表面接触过程中的定位。实施的传感器具有已知几何形状的测量触点,几何形状典型的是球形,或者用于特殊应用的椭圆体形,典型的是具有几毫米数量级的(主)半径。与本发明相关的术语“测量触点”通常被理解为任意形状和尺寸的(触感)测量传感器,其中该测量触点不必一定要(但能够)具有渐细形尖端。原始数据是借助坐标测量机利用触感传感器测量得到的,其描述了测量触点(例如测量触点中心)的位置坐标。
[0006]此外,尤其利用光学传感器的非接触式测量方法在现有技术中是已知的。借助这种光学传感器,利用发射的测量光束,尤其是激光光束,可以非常准确地测量表面形貌。利用光学测量传感器测量表面轮廓时的分辨率能够显著高于使用触觉测量传感器时的分辨率。在此期间引入到使用坐标测量机的测量技术中的光学传感器,是例如基于发射到物体表面的激光进行的干涉测量(EP 2 037 214) ο基于白光干涉的方法(DE 10 2005 061464)以及光谱共焦方法(FR 273 8343)也已被提出了。
[0007]在工件的测量和制造方法中存在一个缺点,即当已完成制造的工件的构造尺寸偏离预额定值和容差时,该工件通常被认为是次品,并且因而将被废弃。在利用坐标测量机的测量阶段的范围内,通常不能对制造过程进行进一步干预,并且因而不能对工件进行相应的调整。这样的测量通常在完成工件后进行。换句话:完成的产品在这个测量阶段不能再一次改动,而是被认为是以正确的或有缺陷的方式来完成的。返工有缺陷的工件只有在此情况下需要大量额外的努力来实现。
[0008]在此情况下工件制造本身存在另一个缺陷。因此,例如工件形状和/或尺寸相对很小的变化可能就需要与制造过程相对应的更大的成本消耗(例如,用于这种目的所需的工具)。例如,如果在测量过程中重复地出现制造出的产品不能与规格相对应的情况(例如,由于工具的缺陷),就会急切需要对工具进行复杂且耗时的调整。
[0009]此外,在工件制造方面应注意到,该工件制造在需要保持同样的高制造精度时通常伴随有极低的灵活性。

【发明内容】

[0010]因此,本发明的目的是提供一种用于工件制造的装置和相应的方法,该装置具有精确的监控能力,这对于制造精度具有进步性。
[0011]此外,本发明的目的在于提供一种相应的装置,借助于该装置可进行可变且灵活的工件制造,其中提供一种改进的制造精度,尤其是其中提供制造阶段的精确监控能力。
[0012]该目的通过本发明第一方面的特征来完成。以替代的或有利的方式改进的本发明的这些特征,可以从本发明其它方面中得到。
[0013]本发明涉及一种坐标测量机(CMM),其可以进行三维物体的结构建立。在此情况下,该结构建立通过逐层(layer-by-layer)材料施放和/或材料固定来执行。除了在利用测量传感器的机器的测量空间内的高精度测量的测量模式之外,CMM还具有相应的用于物体构建的可执行物体构建模式,测量传感器可以由CMM的仪器支架来承载(典型地对应于CMM的测量头),其中生产工具,例如打印头由用于材料施放和/或材料固定的仪器支架来承载。因此,在仪器支架上设置用于该目的的生产工具,并且该生产工具可以自由地定位、引导,并且尤其可以自由地对准,例如,如果CMM具有可枢转仪器支架,在测量空间内借助于机器结构(引导和驱动)。因此,生产工具可以达到对应于借助CMM用于点测量的测量传感器定位的定位精度并且可以以这种高精度来进行物体构建。
[0014]为了借助于材料施放构建物体,例如,喷射出由液态或可喷射材料(例如,塑料或金属)制成的第一层-尤其是在特定的干燥时间之后-将另一层材料施放到该第一层上。以此方式重复该操作直至根据已有物体模型完成该物体。优选选择对每个施放的材料和/或次数直到施放新的一层,使得在各层之间形成坚固连接并且因此完整的物体是可产生的。
[0015]替代地-例如,如果要形成两个非粘聚的结构-施放的次数可以以这样的方式设置,使得没有造成材料连接并且提供两个连接层,可能接触,但是结构上不相连(分离的),即相应的施放暂停,例如。
[0016]生产工具优选配置有用于材料施放的喷嘴,通过喷嘴,材料可以被喷射出,其中层厚度和/或平面材料分布的均匀性可以通过特定实施方式的喷嘴和通过喷嘴的材料的喷射速度来限定。此外,层厚度还与材料施放过程中的仪器支架(即,生产工具的仪器支架)的引导速度有关。材料供给可以经由连接到喷嘴和存储容器的供给通道建立,存储容器中存储有材料。
[0017]辐射发射器作为生产工具设置在仪器支架上,例如,用于借助于材料固定进行物体构建。在这种情况下辐射源也可以位于仪器支架上。替代地,发射器能够发射的辐射借助于光导例如光纤,从外部源引导发射器。
[0018]对于材料固定,将要固定的材料(通过该材料制造出物体)被提供在薄层中,例如,在CMM的测量空间内,尤其是在基座上。在这种情况下,材料例如是塑料粉末或粘性塑料液体。例如UV(紫外光)辐射或激光辐射导出的辐射,射入在材料薄层上,借此材料局部固定或固化在辐射入射的区域(至少部分固化,使得下面的层能够永久连接到第一层)。在这种情况下会发生,例如塑料液体的UV (紫外光)交联(借助于UV (紫外光)辐射的作用)或粉末颗粒的融合(借助于激光辐射的作用)。接下来,将另一层施放到已经被辐射的层上并且相应地依次被辐射以进行固定。
[0019]根据本发明,还可以将两种方法组合,其中尤其是首先施放材料以及随后将其固定。
[0020]因此,本发明涉及一种借助于坐标测量机构建物体的方法,其中坐标测量机具有至少一个控制单元和一个驱动单元,用于控制仪器支架相对于基座的移动。仪器支架被实施为承载至少一个测量传感器和生产工具,这些测量传感器和生产工具是模块化地连接的,尤其是以单独或组合的方式模块化地连接。在本方法的范围内,根据表示物体的数字模型数据,借助于生产工具执行对仪器支架在这种情况下承载的生产工具的控制引导以及特别是对准,以及被与每个生产工具位置以及特别是生产工具对准的控制的精确定位的材料施放和/或固定,尤其是其中通过逐层材料施放和/或固定进行物体的构建。
[0021]在本发明的范围内,此外尤其是,进行表面扫描,借助于测量传感器对至少一个测量点进行位置确定,测量传感器由仪器支架承载,尤其是设置在生产工具上,尤其是其中测量传感器被实施为触感传感器或光学传感器。因此,提供典型地用于被讨论的这种类型的坐标测量机物体的高精度表面测量。因此,连接到CMM结构的测量传感器在这种情况下可以借助于驱动单元和控制单元以微米精度(±1-10 μπι)进行定位。
[0022]可用于执行位置确定的测量点在这种情况下尤其体现为:
[0023].至少被部分构建的物体的表面点,其中根据测量点的位置和物体的数字模型,以自动控制的方式,改进构建物体范围内的材料施放,特别是校正,或者
[0024].样品物体的表面点,其中根据样品物体的测量,产生和/或更新数字模型数据,或者
[0025].已知参照物的表面点,其中在本方法的范围内,进行更新步骤,根据确定的参考体的测量点的位置进行仪器支架位置的参照。
[0026]对于本发明的物体构建的精度,根据本发明的一个实施方式,通过精确定位的材料施放和/或固定进行物体构建,精度对应于由坐标测量机(微米精度)执行的表面扫描范围内的至少一个测量点的位置确定,尤其对应于生产工具的定位精度。尤其是,以对应于测量传感器的定位精度或坐标测量机的测量精度的精度进行材料施放和/或固定。
[0027]以这样的方式,为由施放和/或固定材料的物体制备提供很高尺寸和很高的结构精度,其中,此外可以根据每个数字模型数据的选择从一组不同物体中灵活选择任意物体。在这种情况下,任何时间都可以有每个制备物体的变化,而没有任何精度损失。
[0028]在本发明另一个实施方式的范围内,借助生产工具通过材料粗略施放构建物体基础结构,并且通过至少部分构建的基础结构的表面改进的精度定位进行物体基础结构的改进。
[0029]因此,制备物体有两个阶段。首先,进行基础结构的粗制备,由于是粗制备相比较来说则更加快速,以及然后进行相应的基础结构的更精确的改进。这些处理步骤都是根据数字模型数据来进行的。
[0030]尤其是,在改进的基础结构的范围内,借助于生产工具对精确的表面结构进行材料或替代材料的精确定位精细施放,尤其是其中生产工具被实施为打印头或具有打印头,和/或借助于改进工具进行表面磨削(ablat1n),尤其是铣刀(milling tool)或加工激光,其中仪器支架或生产工具承载改进工具。
[0031]尤其是,粗略施放打印单元用于粗略施放以及精细施放打印单元用于精细施放,其中粗略施放打印单元和精细施放打印单元设置在仪表支架上,或者生产工具具有粗略施放打印单元和精细施放打印单元。在此情况下
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