减小在确定工件坐标或加工工件时所采用的旋转设备的误差的制作方法
【专利说明】减小在确定工件坐标或加工工件时所采用的旋转设备的误差
[0001] 本发明设及一种用于减小旋转设备的误差的方法，其中，误差在确定工件坐标或 者在加工工件时出现或者起作用。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。本发明还设及一种能够执行所述方法的设备。在此认为 旋转设备的误差至少部分是可重复再现的。
[0002] 已知将工件可旋转地支承，W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）。W此方式可W将工件置于不同的工 作定向，坐标测量仪(简称:KMG)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W连续地(例如扫描地)测量工件坐标。通过旋转设 备可W缩短所选的测量时间/加工时间，提高测量/加工的精度和/或使用更简单的坐标测 量装置或更简单的加工工具。
[0003] 相应地适用于通过机床加工工件。工件可W被置于不同的工作定向中，W便工具 进行加工。工件尤其可W在其被加工时连续地旋转。
[0004] 工作定向尤其可W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 件进行接触式扫描或者在加工工件时作用在工件上的力尤其可W垂直于旋转轴线沿工作 定向的方向作用。
[0005] 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关于旋转设备的旋 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，接触式探测工件表 面的坐标测量仪触头可W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W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。 在运种情况下，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W运种方式 提高测量工件的速度。
[0006] 旋转设备的误差通过实际旋转轴线与理想旋转轴线的偏差产生。EricMarsh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。由Marsh描述的误差分离方法由一种测量结构出发，其 中，=个传感器同时检测旋转的校准体的运动。所述=个传感器由共同的支架固定。=个传 感器同时记录的测量信号允许在之后通过计算将校准体(检验球）的形状误差与螺杆的运 动误差分隔开(分离）。
[0007] 旋转设备误差的大小在很多情况下与导入的力和力矩有关，所述力和力矩通过布 置在旋转设备上的工件的质量和/或通过坐标测量装置或加工工具的力作用在工件上。在 旋转设备旋转运动时也可能出现动态效应。在工件测量地点处，运些误差与工件的待测量 误差叠加，因此不能准确地测量工件的误差。在加工工件时，旋转设备的误差导致工件相比 标准的误差。尤其在较大的工件中，可能由于旋转设备误差随着与旋转设备距离的增大所 产生的几何增强而形成特别大的测量误差或加工误差。
[0008] 为了减小旋转设备的误差可W运样设计旋转设备，W使误差符合规定。尤其可W 使用油或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，构造设计耗费就越高。用于制造运种旋转设备的耗费较高 并且在很多情况下，运种旋转设备具有较大的尺寸，在机械上较复杂并且相对外部影响因 素如污物较敏感。在用于坐标测量或者加工工具的、具有不需要供应空气或油的滚动轴承 装置的设备中，旋转设备的油或空气支承件是较大的附加耗费。本发明尤其设及具有运种 滚动轴承装置的坐标测量仪。
[0009] 旋转设备误差在结构设计上的减小也导致旋转设备的使用可能性受到限制，因为 旋转运动的较高机械精度不能用于所有期望的适用范围。例如，具有空气支承件的旋转设 备只能W有限的倾斜力矩负载并且因此只能使质量不太大的工件旋转。
[0010] 作为备选或补充，可W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，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 在旋转设备经历溫度波动时，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。在运种情况下，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] 本发明所要解决的技术问题在于，提供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，所述方法需要较少的测量技术耗费和构造设计耗费来将 旋转设备误差保持得较小。尤其是之前已经描述的测量工件或加工工件的方法应能够在较 少的耗费下实现。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。
[0012] 本发明从运种认知出发，即，用于坐标测量仪和机床的旋转设备在很多情况下具 有不同的误差源，所述误差源对旋转设备的总误差做出不同的误差贡献。运些不同的误差 贡献尤其是平移误差，也就是旋转轴线在旋转运动期间沿直线方向运动，和旋转误差，也就 是旋转轴线根据旋转设备的可相对彼此旋转运动的部件的旋转位置相对于不变的理想旋 转轴线不同程度地倾斜和/或W不同方式倾斜于理想旋转轴线地延伸。不同的误差贡献尤 其根据坐标测量装置或机床的加工工具相对于旋转设备的工作位置和工作定向相互抵消 或者增强。
[0013] 此外，本发明所基于的认知是，在某些工作位置和工作定向中的单个误差源对测 量误差或者对工件加工不产生影响或者影响小于在其它工作定向和工作位置中的影响。例 如旋转设备的实际旋转轴线可能围绕垂直于理想旋转轴线延伸的坐标轴摆动。在此，摆动 角(实际旋转轴线与理想旋转轴线之间的角)可能在旋转设备的旋转运动期间改变。在沿所 述坐标轴延伸的工作定向中测量或加工工件时，由旋转设备旋转的工件的位置不会由于所 述误差源而改变。但相反，由于所述误差源（也就是由于摆动运动)使工件沿垂直于理想旋 转轴线并且垂直于所述坐标轴延伸并且不与坐标轴相交的方向的位置改变。根据与摆动运 动的中屯、的轴向间距(所述轴向间距沿理想旋转轴线的方向确定），所述误差源的误差增强 或减弱。
[0014] 按照本发明建议，将工件布置在旋转设备上，因此当旋转设备运行时，旋转设备的 一部分使工件旋转。此外，使用测量工件表面的坐标的坐标测量装置。坐标测量装置并排地 定位于相对于旋转轴线的不同位置上并且分别当坐标测量装置处于旋转轴线的运些位置 之一时通过旋转设备使工件旋转。在旋转期间，坐标测量装置尤其是扫描地分别测量工件 表面的走向（Verlauf),也就是在使用触觉探测的坐标测量装置的情况下，总是在坐标测量 装置与工件表面之间存在接触。备选地，在使用光学传感器的情况下，在工件的表面运动经 过测量区域期间，分别在测量装置的测量区域内检测表面走向。其它测量方法也是可行的， 例如坐标测量装置可W具有测量其与工件表面之间的距离的距离传感器。距离传感器例如 电力地(例如按照电容式或电感式测量原理)或者触觉地(例如气动式或电动驱动地)或者 光学地(例如通过运行时间测量或者通过立角测量)进行测量。
[0015] 在任何情况下，在通过旋转设备使工件旋转期间测量工件表面的走向。由坐标测 量装置测量的表面走向的测量值可W在表面走向上连续地或者沿表面走向的方向彼此相 间隔地进行记录，例如与坐标测量装置在工件旋转运动期间工作的扫描频率相应地进行记 录。然而在任何情况下，当走向测量结束时，存在关于表面走向的信息。
[0016] 在本说明书的此处和它处，对工件的测量或者对工件旋转期间表面走向的测量 (或相反在测量期间的旋转)也可W理解为W下情况，即旋转运动总是被一再中断并且坐标 测量装置在停歇状态下测量工件表面的走向的区域或者点。当然根据通过坐标测量装置测 量表面的方式，也可W不停歇地在旋转期间进行测量。
[0017] 如提到的那样，坐标测量装置在其测量表面走向期间处于相对旋转轴线的某个确 定位置上。在此指的是相对围绕旋转轴线的周向的位置。因此，坐标测量装置为了测量工件 表面走向而依次分别定位在其上的不同的位置沿周向彼此不同。因此例如，相应的周向位 置可W通过旋转角进行说明，所述旋转角说明与关于旋转轴线固定的角位置之间的角间 距。运个固定的角位置在旋转设备和工件围绕旋转轴线旋转时不一起旋转，而坐标测量装 置在同样固定的周向位置上测量表面的走向。
[0018] 根据坐标测量装置的测量原理，坐标测量装置沿径向关于旋转轴线的位置可W根 据工件表面的走向改变，坐标测量装置在工件围绕旋转轴线旋转期间测量所述位置。运尤 其是W下情况，即，表面的走向不是关于旋转轴线旋转对称或者圆周状的并且坐标测量装 置接触式地探测表面W测量表面。而光学传感器或者距离传感器能够例如由关于旋转轴线 固定的径向位置出发测量表面的走向。
[0019] 对表面走向的测量理解为测量至少一个测量参数(例如与表面的间距或者表面上 的被测量点的至少一个坐标），其中，测量信号至少也包含运样的信息，即，由所述信息能够 确定工件表面沿所述走向的坐标。然而，因为旋转设备通常不W在空间中固定的旋转轴线 进行理想的圆形旋转运动，而是具有提到的平移的和旋转的运动误差，所W坐标测量装置 在测量表面走向期间产生的测量信号包含关于表面走向的错误信息。
[0020] 本发明的认知是，尽管来自表面走向测量的测量信号由于旋转设备的运动误差而 是有错的，但也包含关于运动误差的信息。因此，如果在不同的周向位置分别测量了表面走 向，则所测量的不同走向的总信息包含关于无运动误差的表面实际走向的信息和关于运动 误差的信息。由于在不同的周向位置上测量表面走向，所W运些不同的信息可W彼此分开 并且由此确定。在此优选的是，当坐标测量装置置入另一周向位置时，工件相对于其所处的 并且使其围绕旋转轴线旋转的旋转设备部分的位置和定向保持不变。因此，当坐标测量装 置在不同的周向位置中分别测量工件表面走向时，旋转设备部分和工件彼此也处于相同的 位置和定向中。运具有的优点是，工件表面走向的位置总是沿周向配属于旋转设备部分的 相同位置并且工件W相同方式使旋转设备负载。也不会因虚拟的旋转轴线在与之前不同的 位置和/或W不同的定向穿过工件例如产生误差。由于只有坐标测量装置的周向位置改变， 所WW简单的方式实现了关于运动误差的信息与关于表面走向的信息的分离。
[0021] 尤其可W运样预设或者运样选择不同的周向位置，使得其处于周向的不同部段 内，也就是处于围绕旋转轴线的360°的总旋转角范围的不同部段内。分别只具有不同周向 位置之一的部段相互不重叠并且例如可W分别为至少90°并且一般来说相当于总旋转角范 围的一部分，其通过总旋转角范围除W不同周向位置的数量得到。如果例如在S个周向位 置上进行测量，则S个部段中的每一个在120°的角范围上延伸。在四个周向位置的情况下， 四个部段中的每一个在90°的角范围上延伸。由于周向位置处于不同的部段内，所W确保了 得到关于旋转设备的运动误差的不同信息。运例如在全部=个周向位置相互临近的情况下 不能实现或者不能W充分的程度实现。
[0022] 在所述部段内部，优选运样选择周向位置，使得不同的周向位置彼此具有最小角 间距，其例如是部段延伸的角范围的=分之一或者二分之一。运尤其实现了，周向位置彼此 不具有相同的角间距，但仍处于不同的部段内。在相邻周向位置之间W不相等的角间距布 置的不同周向位置的优点是，在旋转运动期间可W周期性地检测有效运动误差。
[0023] 除了两个相邻周向位置的角间距之一，相邻周向位置的所有角间距优选均与在周 向位置围绕旋转轴线均匀分布时得到的恒定角间距(在=个周向位置时例如是120°的恒定 角间距)有偏差。所述偏差例如至少是部段的角范围的八分之一，优选至少六分之一。因此， 如果部段同样是120°，最小角间距是120°的=分之一，也就是40°，并且两个所选角间距与 恒定角间距相差至少八分之一，也就是15°，则运=个周向位置例如可W处于角位置60° (在 处于0°至120°之间的第一部段内）、143° (在处于120°至240°之间的第二部段内）和267° (在 处于240°至360°之间的第=部段内）上。