减小尤其用于确定工件坐标或加工工件的旋转设备的误差的制作方法
【专利说明】减小尤其用于确定工件坐标或加工工件的旋转设备的误差
[0001] 本发明涉及一种用于减小旋转设备的误差的方法，所述旋转设备具有第一部分和 能相对于第一部分围绕旋转设备的旋转轴线旋转的第二部分以及用于测量第一部分和第 二部分相对彼此的旋转位置的旋转位置测量装置，其中，所述旋转位置测量装置具有旋转 位置传感器和为了测量旋转位置与旋转位置传感器共同作用的测量体，其中，所述旋转位 置传感器与第一部分相连并且测量体与第二部分相连或者旋转位置传感器与第二部分相 连并且测量体与第一部分相连。本发明还涉及一种能够实施所述方法的设备。在此认为旋 转设备的误差至少有一部分是可重复再现的。
[0002] 本发明还涉及一种用于在确定工件的坐标或者在加工工件时减小旋转设备的误 差的方法。所述旋转设备能够在确定坐标或加工工件期间使工件围绕旋转设备的旋转轴线 进行旋转运动。本发明还涉及一种能够实施所述方法的设备。在此认为旋转设备的误差至 少有一部分是可重复再现的。
[0003] 已知将工件可旋转地支承，以便测量其坐标或者加工工件。例如在坐标测量技术 的领域，将工件布置在可旋转的台上(所谓的旋转台）。以此方式可以将工件置于不同的工 作定向，坐标测量仪在所述工作定向中工作，也就是测量工件坐标。在旋转设备使工件围绕 其旋转轴线旋转时，尤其可以连续地(例如扫描地)测量工件坐标。
[0004] 相应地适用于通过机床加工工件。工件可以被置于不同的工作定向中，以便工具 进行加工。工件尤其可以在其被加工时连续地旋转。
[0005] 工作定向尤其可以通过一个方向定义，所述方向垂直于旋转轴线延伸并且经过工 件表面上的一个点，在所述点上扫描或者说探测工件或者加工工件。因此，在通过触头对工 件进行触摸式扫描或者在加工工件时作用在工件上的力尤其可以垂直于旋转轴线沿工作 定向的方向作用。
[0006] 在坐标测量技术领域，通常有利于对工件进行形状检验的是，通过触头探测工件， 所述触头在旋转设备使工件旋转期间具有相对于旋转设备几乎恒定的工作定向和工作位 置。工作位置和工作定向不是完全恒定的，因为工件通常并不是精确地相对于旋转设备的 旋转轴线旋转对称地布置和/或不是或不是精确地旋转对称地成型。例如，触摸式探测工件 表面的坐标测量仪触头可以由坐标测量仪保持在固定位置和固定定向上，其中，与待测量 的工件形状相关地，触头相对于触头支架偏转不同的距离。通过几乎恒定的工作定向和工 作位置，可以将由于位置相关和定向相关的坐标测量仪误差造成的坐标测量误差减至最 小。在这种情况下，旋转设备的误差对测量结果有重要影响。在很多情况下也能够以这种方 式提高测量工件的速度。
[0007] 在坐标测量技术领域中的一种特殊的测量任务在于，在尤其对工件的旋转对称区 域进行形状检验时进行波纹度分析。实际形状与理想的旋转对称形状的偏差通常显示为波 纹曲线。但是旋转设备的运动误差、即旋转设备的实际旋转运动与理想旋转运动的偏差可 能导致波纹度分析的结果特别不准确，尤其是比在测量工件的单个表面点的坐标时更不准 确。
[0008] 在通过机床加工工件时同理。在力求制造旋转对称的区域时，可能在不利的情况 下由于在加工期间使工件旋转的旋转设备的运动误差产生具有特别大振幅的波纹。
[0009] 为了减小旋转设备的误差可以这样设计旋转设备，以使误差符合规定。尤其可以 使用空气支承件来支承旋转设备的可旋转部分并且在电机驱动的旋转设备中使用直接驱 动器。旋转设备的误差越小，设计耗费就越高。
[0010] 作为备选或补充，可以通过坐标测量仪测量旋转设备的误差，其中，将校准体或校 准体设备布置在旋转设备的可旋转部分上(例如放置在旋转台上)并且进行测量。然而，借 助也可测量工件的坐标测量仪测量旋转设备相对于所有六个可能的运动自由度的误差很 耗时。在精确度要求较高时，例如在旋转设备经历温度波动时，必须重复校准。同理适用于 将工件可旋转地保持在机床加工区域中的旋转设备。在这种情况下，用于校准的耗费与坐 标测量技术相比通常更大，因为在坐标测量技术领域中通常可将坐标测量仪用于校准，所 述坐标测量仪在之后也进行工件测量。
[0011] Eric Marsh在，，Precision Spindle Metrology"，ISBN 978-1-932078-77-0中， 尤其在第二章中描述了用于描绘精度螺杆的运动误差的方案。
[0012] W0 2013/007285 A1公开了一种用于测量工件坐标和/或用于加工工件的装置，其 中，所述装置具有第一部分和可相对于第一部分运动的第二部分，其中，除了可选附加地固 定在所述装置上的触头的可移动性之外，附加地实现所述部分的可相对移动性，其在机械 探测工件以便通过触头从中性位置的偏转测量坐标时实现，其中，在第一或第二部分上布 置有测量体并且在另一部分也就是第二或第一部分上布置有至少一个传感器，其中，所述 传感器设计用于与测量体的位置相应地并且因此与第一和第二部分的相对位置相应地产 生测量信号。
[0013] W0 2013/007286 A1公开了一种校准用于确定旋转设备的旋转位置的测量装置的 方法，所述旋转设备具有第一部分和可相对于第一部分围绕旋转轴线旋转的第二部分。
[0014] DE 199 07 326 A1公开了一种用于高度精确地确定围绕旋转轴线旋转的对象的 角位置的角测量系统。
[0015] W0 2011/064317 A2公开了一种用于角测量装置的可无参考系地实施的校准方 法。
[0016] EP 1 498691 A1公开了一种用于校正坐标测量仪的测量结果的方法，其中连续地 探测工件，所述方法具有以下方法步骤:确定触头的动态弯折特性作为一维或多维的参数 场，尤其作为动态张量，在考虑触头加速度的情况下由参数场计算校正值，通过校正值校正 测量结果，其中，参数场描述了在相对于工件表面法向的触头加速度时的偏差。
[0017] DE 100 06 753 A1公开了一种用于坐标测量仪的探头的旋转翻转装置，其具有至 少两个用于按角度地定向探头的转动关节。
[0018] 在坐标测量技术领域，要求旋转设备例如在所谓的圆度检验时具有较高精度，在 所述圆度检验中，检验工件的圆形轮廓(例如圆柱体的圆周面)与理想圆形的偏差。
[0019] 在其它情况下，与使用旋转设备相关地进行分度测量(也就是围绕旋转对称轴线 沿旋转方向的角间距），例如尺的角间距或者齿轮的齿面。为此相应旋转设备的能够精确测 量的旋转位置测量装置，因为否则只由于旋转位置测量装置的误差就会产生相同大小的测 量误差。在坐标测量技术或机床的领域的其它情况下也需要能够非常精确地测量的旋转位 置测量装置。
[0020] 在这些旋转位置测量装置中，出现所谓的偏心误差并且对于误差贡献提供了很大 一部分。总偏心误差基本上由用于支承旋转设备的旋转运动的旋转支承件的偏心误差和旋 转位置测量装置的安装误差组成。已知通过调节在很大程度上消除总偏心误差。最终总偏 心误差对于旋转设备的总误差的剩余误差贡献可以非常小。用于减小偏心误差的另一可能 性在于，在相对于旋转轴线彼此对置的位置上分别布置一个旋转位置传感器并且将其测量 结果这样相互计算，从而要么消除偏心误差要么计算出偏心误差并且在接下来用于校正。
[0021] 坐标测量技术领域的旋转位置测量装置通常具有测量体，所述测量体具有多个围 绕旋转轴线分布的标记。测量原理的基础是，标记以相同大小的角区段围绕旋转轴线划分。 因此，标记的这种均匀布置的偏差称为分度误差。以相应的耗费能够通过分开的测量确定 分度误差。如果确定了测量体的角位置，则可以通过计算校正分度误差。
[0022] 为了从一开始就减小已经提到的偏心误差，可以使用耗费的旋转轴承以支承旋转 设备的旋转运动，其本身只会产生较小的偏心误差。用于这种旋转轴承的耗费较高并且通 常还需要调校，以便进一步减小偏心误差。
[0023] 如果用于旋转设备的旋转轴承耗费较少，则不只需要容忍相对较大的偏心误差， 而且还会出现附加的运动误差，也就是在旋转设备的旋转运动期间的不期望的平移运动分 量和旋转运动分量。原则上，旋转设备的实际旋转运动与理想旋转运动不同的所有运动分 量均为不期望的。在理想的旋转运动中，当进行旋转运动时，旋转设备的可旋转部分的所有 区域在该区域相对于旋转轴线的径向位置保持不变的情况下旋转。结果是旋转设备的旋转 轴线是位置固定的，也就是不进行沿旋转轴线方向或横向于旋转轴线的平移运动并且也不 会倾斜。旋转轴线的倾斜的意思等同于旋转轴线的定向改变。
[0024] 旋转设备的运动误差可以被测量并且在旋转设备之后的运行中通过计算校正。然 而用于计算校正的耗费非常高，尤其是因为运动误差通常具有非常小的振幅。尤其在旋转 设备的旋转位置测量装置测量旋转位置的地点处的校正非常耗费，因为运动误差只导致角 秒的分数范围内的旋转位置测量误差。用于确定旋转位置误差的已知方法还要求进行可能 持续几个小时的测量。在这种较长的测量时长内，温度也有可能变化，这又导致运动误差改 变。
[0025] 减小运动误差对旋转位置测量的另一可能性在于，使用所谓的自支承件。其使得 旋转位置测量装置的布置在旋转设备的可相对彼此旋转的部分上的部件(例如具有标记的 测量体和旋转位置传感器)共同产生旋转设备的运动误差。这种自支承件特别耗费。
[0026] 尤其如果需要由旋转设备使工件旋转，所述工件具有至少一个与旋转设备的旋转 轴线间隔较大距离布置的区域，则旋转位置测量误差特别强烈地影响通过坐标测量仪测量 工件坐标时的误差或者通过机床加工工件时的误差。如果从错误的旋转位置出发对坐标测 量仪或者机床进行控制，则这会与径向间距成比例地影响坐标测量误差或者加工。例如在 实践中出现不超过1弧秒的旋转位置测量误差，其在径向间距为0.2m时导致约为1微米的沿 相对于旋转方向的切向的工件位置误差。
[0027] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于减小旋转设备的误差的方法，所 述方法减少了旋转设备的运动误差对旋转位置测量的影响。本发明所要解决的技术问题还 在于，提供一种用于执行所述方法的设备。
[0028]本发明从这种基本理念出发，即旋转设备的运动误差，也就是与理想旋转运动的 偏差，与旋转设备的旋转位置传感器的旋转位置测量地点有关地对旋转位置测量的测量精 确度产生不同影响。如果旋转设备的实际旋转运动与理想旋转运动相比导致旋转设备沿相 对于旋转方向的切向（也就是切向于围绕旋转轴线的旋转方向）附加地运动，这会使旋转位 置测量出错。因此，运动误差的针对旋转位置测量装置相关的部件沿切向于旋转方向的方 向延伸并且在以下称为切向运动误差并且与分别观察的地点或者说位置有关。但本发明也 从这样的认知出发，即导致旋转设备的运动误差(尤其是也导致切向运动误差）的不同运动 过程相互叠加并且在此取决于所观察的旋转设备地点而相互抵消或者增强。抵消或增强在 旋转设备的旋转运动过程中（尤其在完整旋转一圈过程中）随时间和地点不同而产生不同 的影响。如果观察一个具体地点，即旋转位置测量装置测量旋转设备的旋转位置的旋转位 置测量地点，则在旋转运动的过程中抵消或增强发生变化。因此结果是切向运动误差在地 点上与旋转位置测量地点有关并且在时间上与在旋转位置测量地点处有影响的旋转运动 的过程有关。
[0029] 在不同的可能的旋转位置测量地点处，尤其是切向运动误差的振幅在旋转运动过 程中不同。术语"振幅"如通常一样表示与理想旋转运动的最大偏差。但是不只可以观察该 振幅并且确定该振幅较小或者甚至最小的旋转位置测量地点。而是也可以以其它方式观察 旋转运动期间切向运动误差的变化曲线并且确定具有特别有利的变化曲线的旋转位置测 量地点，其中"有利"可以通过至少一个预设的标准定义。例如，在坐标测量技术中存在测量 任务或者在通过机床加工工件时存在加工任务，在所述任务中需要关注关于工件的外周或 内周的理想圆形走向的某一阶偏差的精确度。在围绕旋转轴线的完整旋转一圈内或者在旋 转位置的预设范围上（即尤其是一次整圈旋转的一部分)具有三个偏差最大值和三个偏差 最小值的变化曲线例如为三阶。三个最大值和三个最小值相当于三个波纹。在将切向运动 误差描绘为地点函数(与理想旋转运动的偏差作为旋转位置的函数)时当然可能出现多阶 的叠加。如果速度作为时间或地点的函数是已知的，例如在速度恒定时，地点函数与时间函 数(偏差作为旋转运动的时间点的函数)是等价的。本发明也不局限于观察三阶。而是可以 观察切向运动误差的任意阶。
[0030] 预设的标准也可以称为需要满足的预设条件。例如，在旋转运动中经过的旋转位 置区域上(尤其是在旋转位置的预设区域上）的具有9个波纹(也就是9个偏差的最大值和最 小值)或者其它预设数量的波纹的切向运动误差的变化曲线是有利的。这所基于的理念是， 取决于所观察的旋转位置测量的角位置，可能出现不同数量的波纹和/或运动误差的振幅 在该阶上(例如在9个波纹时）可能是不同大小的。因此，尤其为了满足预设的标准，例如确 定旋转位置测量地点，运动误差的振幅在该旋转位置测量地点上相对于预设的阶是最大 的。
[0031] 为了回到三阶的例子，在这种情况下期望的是，由于旋转设备的三阶运动误差造 成的旋转位置传感器的测量误差特别小，由此能够尽可能精确地测量工件的形状。在这种 情况下三阶也只是一个实施例。对于其它大于1的阶可以相应地进行，方法例如是确定旋转 位置测量地点，针对该地点，旋转设备的切向运动误差相对于该阶较小、最小或者满足预设 的条件并且因此满足标准(例如小于预设的极限值）。
[0032] 相应地，也可以针对阶(例如3至5个波纹）的至少一个范围采取措施，其包含多于 一个阶。不讨论在围绕旋转设备的旋转轴线或者围绕工件的旋转对称轴线的旋转上的偏差 的波纹数量(或者在旋转位置的预设区域上的偏差的波纹数量），也可以讨论频率。
[0033] 作为对在角位置的区域(尤其是具有围绕旋转轴线的所有角位置的区域或者其部 分区域)上的切向运动误差的量度，尤其可以应用所述区域内的切向运动误差的振幅(也就 是地点函数或者时间函数的振幅)或者在将切向运动误差变换(尤其是傅里叶变换)到频率 空间之后的振幅(也就是频率空间内的振幅）。
[0034] 基于之前描述的本发明的认知建议，为了减小具有旋转位置测量装置的旋转设备 的误差，测量旋转设备的运动误差，也就是由于旋转设备的实际旋转轴线和旋转设备的理 想旋转轴线之间的偏差产生的旋转设备误差，并且确定旋转位置测量装置的旋转位置传感 器的有利的旋转位置测量地点。尤其确定旋转位置测量地点，在其上运动误差影响较小、尤 其是小于其它可能的旋转位置测量地点，和/或满足预设的条件。在此，尤其可以如前所述 地以预设的测量任务或者加工任务为基础，旋转位置测量地点针对它们应是有利的。
[0035] 运动误差例如可以在制造旋转设备(例如旋转台或者旋转关节)时就已经被测量。
[0036] 尤其建议:一种用于减小旋转设备的误差的方法，所述旋转设备具有第一部分和 能相对于第一部分围绕旋转设备的旋转轴线旋转的第二部分以及用于测量第一部分和第 二部分相对彼此的旋转位置的旋转位置测量装置，其中，所述旋转位置测量装置具有旋转 位置传感器和为了测量旋转位置与旋转位置传感器共同作用的测量体，其中，所述旋转位 置传感器与第一部分相连并且测量体与第二部分相连或者旋转位置传感器与第二部分相 连并且测量体与第一部分相连，并且其中，所述方法具有以下步骤：
[0037] -在一定的旋转角范围内，也就是在第一部分和第二部分相对彼此的不同旋转位 置下测量由于旋转设备的理想旋转轴线的相应的理想位置和理想定向与旋转轴线的实际 位置和实际定向之间的偏差产生的旋转设备的误差并且得到相应的误差测量值，
[0038] -由所述误差测量值针对旋转位置传感器的多个旋转位置测量地点确定旋转设备 的第一部分或第二部分的径向位置的预期波动和/或第一部分或第二部分关于相对旋转设 备的旋转方向的切向的位置的波动，所述波动由于旋转设备的旋转运动与围绕理想旋转轴 线的理想旋转运动的偏差而产生，所述旋转位置传感器能够在所述旋转位置测量地点处测 量旋转设备的旋转位置，
[0039] -在考虑预期波动的情况下，确定旋转位置传感器的至少一个旋转位置测量地点， 针对该旋转位置测量地点，关于相对旋转方向的切向的位置的预期波动
[0040] 〇小于针对其它可能的旋转位置测量地点的预期波动和/或
[0041] 〇满足预设的条件。
[0042] 此外建议:一种用于减小旋转设备的误差的设备，所述旋转设备具有第一部分和 能相对于第一部分围绕旋转设备的旋转轴线旋转的第二部分以及用于测