专利名称：机床校准方法
技术领域：
本发明涉及机床校准，具体来说，涉及机床校准或者校准检查时使用的方法，所述机床采用包括至少第一和第二校准物体的校准设备。
背景技术：
计算机数控(CNC)机床为人所熟知，并且用于广泛的制造工业中。现在，这些机床通常包括心轴或者由回转头部携带的铣刀和/或用来保持工件的多轴旋转工作台。这种机床在计算机控制下的操作允许利用全部自动化的工艺加工复杂的零件。这种机床越来越多地与测量探头一起使用，以允许自动检查切削出的零件。在需要测量循环时，测量探头通常装载到机床的心轴中，然后由机床相对于工件移动，以允许测量工件表面上的多个点。虽然机床通常在其制造过程中由技术人员手动预先校准，但是这一过程耗费时间并且容易产生人为误差。而且终端使用者也希望执行额外的自动化校准过程。在利用机床实施高精度加工和/或测量循环时，尤其面临这种情况。采用测量探头的机床校准过程的示例在W02007/068912中存在概述。具体来说， W02007/068912所概述的各种方法允许通过在两个或更多个不同的旋转取向下，测量特征件(诸如校准球体)的位置来建立一个或多个旋转轴。这种过程可以用来找到例如心轴中心线和/或回转头部或者回转工作台机床的轴线或旋转轴的位置。以前还在EP1696^9中描述了如何通过比较测得的球体中心的位置与机床控制器计算的名义球体中心的位置来建立与机床运动有关的定位误差。具体来说，EP1696289描述了将尺度已知的单一测量球体安装到机床的旋转工作台。利用测量探头测量球体表面上的多个点，由此确定球体中心的位置。然后在控制器的控制下将旋转工作台转动已知的距离。控制器根据工作台移动的已知距离计算球体中心的新的(名义)位置。利用测量探头重新测量球体中心的位置，并且测得的球体中心位置和名义球体中心位置之间的差值提供了定位偏差，即控制器有多精确地定义位置的量度。虽然EP1696^9中描述的方法允许评估特定的机床误差，但是本发明的发明人发现这种方法的缺陷在于，校准球体必须精度非常高地放置在机床运动部分上的期望位置， 以便精确建立特定类型的定位误差。具体来说，在特定的情况下，已经发现了无法正确定位球体将降低测量精度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种在机床校准或校准检查时使用的方法，所述机床包括相对于第二部分移动的第一部分，所述机床的所述第一部分包括校准设备，该校准设备包括至少第一校准物体和第二校准物体，所述机床的所述第二部分包括测量探头， 其中所述方法包括步骤(i)利用所述测量探头测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置；
(ii)利用所述步骤(i)的测量结果建立所述第一校准物体的位置和所述第二校准物体的位置；和(iii)为所述校准设备定义基准测量点，所述基准测量点相对于所述步骤(ii)中建立的所述第一校准物体的位置和所述第二校准物体的位置具有固定位置。因此，本发明包括在机床校准或校准检查时使用的方法。应该注意，术语机床指的是加工(例如，切削和/或铣削零件)的机器，但是不包括单纯实现测量功能的专用的坐标测量仪(CMM)。在实施本发明时，所述机床包括第一部分，所述第一部分包括相对于第二部分移动的校准设备，所述第二部分包括测量探头。在下面更为详细描述的优选实施例中，所述第一部分包括旋转工作台，包括第一校准球体和第二校准球体的校准设备连接到所述旋转工作台，在这种示例中，所述第二部分可以包括保持在所述机床的心轴中的测量探头。在本方法的步骤(i)中，所述机床的所述第二部分的所述测量探头用于测量所述第一校准物体的表面上的多个点或者一组点的位置，并且测量所述第二校准物体的表面上的多个点或者一组点的位置。这种测量过程可能涉及移动所述机床的所述第一部分和/或所述第二部分，以允许所述测量探头与所述校准物体形成要求的表面感知关系。这可能例如包括将所述测量探头的探针末端接触所述校准设备的所述校准物体的表面上的点。在机床坐标系统中测量的所获取的所述数组表面点用在步骤(ii)中，分别建立所述第一校准物体的位置和所述第二校准物体的位置。如果所述校准物体为球体，则可以在该步骤中利用球体最佳拟合法从所述多个表面位置测量结果确定球体中心的位置。在步骤(ii)中找到所述第一和第二校准物体的位置之后，执行步骤(iii)，其中定义基准测量点，所述基准测量点相对于所述第一和第二校准物体的位置具有固定位置。 换句话说，在局部坐标系统中，相对于所述第一和第二校准物体的测量位置定义基准测量点。该基准测量点例如可以定义为在步骤(ii)中建立的所述第一和第二校准物体的位置 (例如，球体中心)之间处于特定距离的点。在步骤(iii)中，在所述局部坐标系统中定义的所述基准测量点将因此随着所述机床的所述第一部分在机床坐标系统中移动。利用本发明的方法找到的基准测量点可以用作机床校准或校准检查的任何方法的一部分。例如，利用本发明的方法建立的所述基准测量点可以代替单一校准物体的测量位置，用在任何已知的校准或校准检查方法中。根据本发明，脱离校准物体但是相对于校准物体具有已知位置，这种为校准设备建立基准测量点的能力，可以用在不同类型的校准过程中，并且具有众多显著优势。具体来说，所述基准测量点可以相对于所述校准设备的所述校准物体设置在任何期望的位置。这样做的优势在于，允许为机床工作空间内的要求的位置找到位置或定位误差，而不需要精确定位所述校准设备。例如，可以相对于特定平面或者在距离旋转轴的特定半径处确定定位误差，正如以下更为详细地描述。这样允许在需要进行测量的机床区域中或者工件上的特征需要切削的机床区域中测量定位误差。本发明的方法可以利用任何已知类型的机床来实现。优选地，所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分围绕至少一个旋转轴转动。可以由包括至少一个旋转轴的所述机床的所述第一部分和/或所述第二部分提供所述第一和第二部分之间的至少一个相对旋转轴。所述机床的所述第一部分可以方便地包括旋转单元，诸如旋转工作台、 耳轴或者托架。所述旋转单元可以围绕一个轴、两个轴或者两个以上的轴转动。所述第二部分例如可以包括回转头部单元。所述回转头部单元可以围绕一个轴、两个轴或者两个以上的轴转动。如果所述第一部分相对于所述第二部分转动，则所述步骤(i)中获取的测量结果可以在所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分旋转到第一取向的情况下方便地进行。换句话说，在获取所述步骤(i)的测量结果的同时，所述机床的所述第一部分和所述第二部分之间的相对角度取向优选固定。所述第一和第二部分之间的非旋转运动，例如沿着多个线性轴的相对运动，则可以在步骤(i)中用于将所述测量探头与所述校准设备形成要求的表面感知关系，以允许测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的多个点。优选，所述方法包括步骤相对于所述机床的所述第二部分将所述机床的所述第一部分围绕至少一个旋转轴转动，由此所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分放置在第二取向。然后可以利用所述测量探头执行这样的步骤测量所述第一校准物体和第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置。然后利用这些表面测量结果建立所述第一校准物体的新位置和所述第二校准物体的新位置。然后可以从所述第一校准物体和所述第二校准物体的所述新位置具有优势地确定如所述步骤(iii)中定义的所述基准测量点的新位置。换句话说，所述基准测量点在局部坐标系统(即，相对于所述第一校准物体和所述第二校准物体定义的)中具有不变位置，并且在所述机床的所述第一和第二部分放置在所述第二取向的情况下，找到了其在机床坐标系统中的新位置。具有优势的是，所述机床包括控制器。所述控制器方便地执行步骤根据所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分旋转到所述第二取向，计算所述基准测量点的新的名义位置。所述方法优选还包括步骤将从所述第一校准物体和所述第二校准物体的所述新位置确定的所述基准测量点的所述新位置与所述控制器计算的所述基准测量点的所述新的名义位置相比较。这种比较步骤可以由所述控制器来实施。所述比较步骤可以包括计算所述基准测量点的测得的位置和所述基准测量点的名义位置之间的位置差异。 换句话说，可以比较名义(控制器预测的)基准测量点和实际(测得的)基准测量点，来建立与机床几何缺陷、热生长或控制器有关的定位误差。可以计算所述名义基准测量点和所述测得的基准测量点之间的偏移向量或者合成距离作为所述定位差异。所述定位差异可以用作控制器校准精度的量度，或者可以作为用作纠正随后的测量结果的纠正因子或者校准因子来(例如，由控制器)存储。所述机床的所述第一部分优选相对于所述机床的所述第二部分围绕第一旋转轴转动。所述机床的所述第一部分还可以相对于所述机床的所述第二部分围绕第二旋转轴转动。所述方法还包括初始步骤在所述机床坐标系统中测量所述第一旋转轴的位置和/或所述第二旋转轴的位置。所述方法的步骤(iii)可以方便地包括定义在所述机床坐标系统中处于预定平面上的基准测量点。所述预定平面优选包含所述第一旋转轴。具有优势的是，将所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分放置在第二取向的步骤包括围绕所述第二旋转轴转动。所述机床的所述第二旋转轴优选与所述第一旋转轴正交或者至少大致正交。所述第一旋转轴可以是称为所述机床的C轴的旋转轴，并且所述第二旋转轴可以是所谓的B旋转轴。所述机床的所述第一部分和所述第二部分优选可以相对于彼此沿着多个线性轴移动。例如，所述机床可以允许所述第一部分相对于所述第二部分沿着三个相互正交的线性轴移动或者被驱动。所述方法的所述步骤(i)优选包括相对于所述机床的所述第二部分沿着多个轴线性平移所述机床的所述第一部分，以允许所述测量探头测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的要求的多个点。所述机床的所述第一部分和所述第二部分之间的这种相对运动可以由所述第一部分沿着一个或多个轴的运动和/或所述第二部分沿着一个或者多个轴的运动来提供。在步骤(i)的过程中，在所述第二部分移动的同时，所述第一部分可以保持静止，反之亦然。所述机床可以包括一个或者多个驱动马达，以提供所述第一部分和/或所述第二部分的这种运动。方便的是，所述方法的所述步骤(i)可以在所述校准设备被放置于第一位置的情况下进行。换句话说，在获取所述步骤(i)的测量结果的同时，所述机床的所述第一部分可以保持静止在所述第一位置(例如，所述第一部分可以包括旋转到或平移到第一位置的工作台)。在这种例子中，步骤(i)则可以包括移动所述机床的所述第二部分，以使所述测量探头与所述第一校准物体和所述第二校准物体形成要求的表面感知关系。所述方法则包括进一步的步骤移动所述机床的所述第一部分，以便将所述校准设备放置在第二位置，例如将工作台转动或移动到第二位置。然后，可以利用所述测量探头方便地执行步骤测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置，由此可以建立所述第一校准物体的新位置和所述第二校准物体的新位置。然后，可以从所述第一校准物体和所述第二校准物体的所述新位置确定如所述步骤(iii)定义的所述基准测量点的新位置。 在这种方法中，步骤(i)优选包括沿着至少一个轴移动所述机床的所述第二部分，并且更优选沿着三个相互正交的轴移动，以允许所述测量探头测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的所述多个点。所述第一和第二校准物体可以是任何适当形式的校准物体。所述第一和第二校准物体可以具有不同形状或者名义上相同。每个所述校准物体例如可以包括球体、环圈、立方体、方块、孔、凸台等。具有优势的是，可以通过测量每个物体上的多个点来明确地建立每个校准物体的位置。所述校准设备可以仅包括所述第一和第二校准物体。作为替代，除了所述第一和第二校准物体之外，所述校准设备可以包括一个或者多个另外的校准物体。具有优势的是，所述第一校准物体包括第一球体。优选地，所述第二校准物体包括第二球体。所述第一球体方便地与所述第二球体隔开。在这种示例中，第一校准物体的位置可以包括第一球体的中心的位置，而第二校准物体的位置可以包括第二球体的中心的位置。换句话说，球体中心可以限定校准物体的位置。使用球体作为校准物体具有优势，因为正如机床计量学领域的技术人员所理解的，球体中心可以从球体表面上最少数量的测量点来确定。具有优势的是，步骤(iii)定义的基准测量点位于穿过步骤(ii)中建立的第一和第二校准物体的位置的直线上。对于包括第一和第二球体的校准设备来说，步骤(iii)定义的基准测量点因此优选位于穿过第一和第二球体的中心的直线上。定义的基准测量点可以位于穿过球体中心投射的直线上但并不位于球体中心之间的某点。具有优势的是，定义的基准测量点位于第一和第二球体的中心之间。校准设备可以包括分开安装在机床上的第一和第二校准物体。具有优势的是，校准设备包括可连接到机床的基板，其中所述第一和第二校准物体附连到所述基板。优选，所述第一和第二校准物体具有相对于所述基板基本上不变的位置，即他们优选相对于彼此以及相对于基板不移动。所述校准设备例如可以包括通过两条杆连接到基板的两个球体。应该注意，所述第一和第二校准物体之间的间隔不需要知道或者预先校准。优选地，所述第一和第二校准物体的位置在三个维度建立。例如，每个校准物体的位置(例如球体中心的位置)可以在三个相互正交的机床轴(x、y、x)上找到。虽然物体位置优选在三个轴上定义，但是也可以仅在两个轴上进行相同的测量。机床的第二部分优选包括(例如，携带)具有可偏转的探针的接触式测量探头。 接触式测量探头可以是接触触发式探头，它在超过特定的探针偏转阈值时发出触发信号； 或者是所谓的模拟或扫描式探头，它输出探针偏转的量度。如果使用接触触发式探头，则步骤(i)可以包括让探针接触校准物体的表面上的不同的点。如果使用模拟探头，则步骤(i) 可以包括沿着校准物体的表面扫描测量探头的探针。作为替代，可以让机床携带非接触式 (例如，光学、电感式、电容式)测量探头。机床还可以包括工具自动更换系统，它允许测量探头和切削工具自动装载到机床的第二部分的心轴中，分别用于测量和切削循环。以上概述的方法的各个步骤可以单独提供所需的机床校准数据，或者允许适当地检查现有的校准数据。作为替代，以上所述方法可以简单地用作更为复杂的机床校准或者校准检查过程的一部分。技术人员应该明白，利用本发明的方法建立基准测量点的各种方式可以用于各种不同的校准或校准检查流程。因此，这里描述了用于机床校准或校准检查的方法，所述方法包括步骤(a)在机床的运动部分提供校准设备，所述校准设备包括至少第一校准物体和第二校准物体；(b) 利用所述机床携带的测量探头测量所述第一和第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置，并且由此建立所述第一校准物体的位置所述第二校准物体的位置；(c)为所述校准设备定义基准测量点，所述基准测量点相对于所述步骤(b)中建立的所述第一和第二校准物体的位置具有固定位置；(d)移动所述机床的所述运动部分；(e)利用所述测量探头测量所述第一和第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置并由此建立所述第一校准物体的新位置和所述第二校准物体的新位置；和(f)从所述步骤(e)中测得的所述第一和第二校准物体的所述新位置确定如步骤(c)中定义的所述基准测量点的新位置。这里还描述了一种用于机床校准或者校准检查的方法，所述方法包括步骤(a) 在所述机床的运动部分上提供校准设备，所述校准设备包括至少第一校准球体和第二校准球体；(b)利用所述机床携带的测量探头测量所述第一和第二校准球体每一个的表面上的多个点的位置并由此建立所述第一和第二校准球体的中心的位置；(c)为所述校准设备确定基准测量点，所述基准测量点相对于步骤(b)中建立的所述第一和第二校准球体的中心具有固定位置；(d)移动所述机床的所述运动部分；(e)利用所述测量探头测量所述第一和第二校准球体每一个的表面上的多个点的位置并由此建立所述第一和第二校准球体的中心的新位置；和(f)从所述步骤(e)建立的所述第一和第二校准球体的中心的所述新位置确定如所述步骤(c)中定义的所述基准测量点的新位置。
仅作为示例，现在将参照附图描述本发明，在附图中图1示出了具有旋转工作台的机床；
图2示出了由双轴旋转工作台携带的本发明的校准设备；图3a和北示出了图2的校准设备在机床坐标系统中的侧视图和俯视图；图4示出了在Y = O的平面上定义基准测量点；图5示出了基准测量点相对于两个校准球体的位置；图6示出了工作台和校准设备围绕B轴转动；图7示出了在图6所示的转动之后，实际的和测得的基准测量点之间的差异；图8示出了替代的方法，其中可以从距离旋转轴的任意半径上找到定位误差；和图9示出了图8所示的基准测量点的测得的位置和名义位置之间的差异。
具体实施例方式参照图1，简略示出了具有第一部分和第二部分的机床，所述第一部分包括双轴旋转工作台8，所述第二部分包括头部单元4。应该注意，正如下面解释，图1中所示机床配置仅仅为本领域技术人员已知的许多不同机床配置的一种示例，并且本发明的方法可以适用于该机床配置。机床2包括头部单元4，该头部单元可以围绕机床工作空间沿着相互正交的x、y和 ζ轴受到驱动。头部4的位置通过高精度定位编码器(未示出)测量，所述高精度定位编码器设置在每个线性(x、y、z)机床轴上。机床2还包括双轴旋转工作台8。工作台8包括工作台顶部10，工件或零件可以放置并固定在其上。工作台顶部10可以依次被驱动而围绕C 轴转动。工作台顶部10安装至托架12，所述托架可以被驱动而围绕B轴相对于机床的部分14转动。旋转编码器也设置成测量B轴和C轴形成的角度。头部4沿着x、y和ζ轴的移动以及工作台围绕B和C轴的转动受到计算机数字控制器(CNC) 16的控制，计算机数字控制器16简称为控制器16。图中示出图1的头部单元4携带测量探头18，该探头具有工件接触探针17。测量探头可以是接触触发式探头，该探头在探针偏转阈值被超越时发出触发信号，或者它可以包括模拟探头，这种模拟探头输出描述探针偏转量的数据。虽然图中示出了接触式测量探头，但是应该注意也可以替代地使用非接触式(例如，光学、电容式、电感式等)测量探头。头部4沿着x、y和ζ轴的运动用于将探针17带到与安装到工作台顶部10的物体 (例如，待检查的工件)接触，以便测量物体表面上的点的位置。以这种方式获取物体表面测量结果是本领域技术人员所已知的。还应该注意，测量探头通常仅在测量循环期间由头部携带。在机加工循环期间，所述头部携带用于切削零件的适当工具或多个工具。机床通常连同存储校准信息或表单的控制器一起销售。具体来说，机床制造商或者供应商通常在销售前手动校准机床(例如，使用干涉测量技术等)，以允许零件被加工到终端使用者运行的切削程序中指定的尺度。虽然制造商校准数据足够用于许多应用场合， 但是建立某些方面的校准数据，如果发生的话，可能非常耗费时间。随着时间流逝或者如果重新配置机床或者机床受到干扰，则可能另外出现误差。为此，已经为使用由所述机床携带的测量探头的终端使用者或者维护工程师开发了各种重新校准或校准检查规程。如上所述，校准检查规程的一个示例在EP1696289中描述。在这种技术中，尺度已知的球体的中心位置利用安装在机床上的测量探头进行测量。然后机床将所述球体移动已知的量(即，基于校准数据或者控制器收到的编码器读数)并且机床控制器计算新的名义球体中心位置，即机床控制器计算球体在移动之后球体中心应该所处的位置。然后利用测量探头重新测量实际球体中心位置。实际球体中心和名义球体中心之间的差值提供了定位偏差值。该定位偏差值提供了机床校准精度的量度。 换句话说，小的定位偏差值意味着球体被移动了由控制器所预测的量，并且校准结果良好。 大的定位偏差值意味着球体移动到了控制器不希望的位置，并且校准结果较差。在EP1696^9中描述的方法已经被本发明的发明人发现存在许多缺陷。具体来说，利用该方法确定的定位偏差值仅对于测量该差值的机床工作空间的区域有效，这并不必然是切削或测量工件的区域。因此利用现有技术测量的任何定位偏差值(特别是与旋转运动相关的定位偏差值)可能不同于在切削或测量零件的机床工作空间的区域内实际发生的定位偏差。校准球体可以放置在机床移动部分上的不同位置，但是将该球体精确放置在希望的位置(例如，与平面或轴线相交)的要求耗费时间并且对于快速校准或者校准检查过程来说不切实际。本发明的发明人因此设计了一种改进技术，其中提供了机床部分的校准设备，该设备包含至少两个校准物体，诸如两个校准球体。每个校准物体清晰地限定一个位置，并且因此可以设定基准测量点，该基准测量点相对于校准物体的位置(例如球体中心位置)具有固定位置。该基准测量点可以根据需要选择与机床的特定平面或轴线相交。当机床重新取向或者校准设备移动时，可以找到所述基准测量点(即，重新测量)，并且与运动完成后控制器计算的名义基准测量点相比较。这样提供了任何机床误差的指示。该方法的示例现在进行描述。参照图2，示出了校准设备19包括表现为第一校准球体20形式的第一校准物体和表现为第二校准球体22形式的第二校准物体。第一和第二球体20和22彼此隔开并且安装到基板M。基板M安装到参照上面图1所述那种双轴旋转工作台的工作台顶部10。旋转工作台的B和C旋转轴也在图中示出。应该注意，第一和第二球体20和22优选为高精度球体，但是不必精确知道球体尺度或者相对间隔。图3a和北在机床(X、Y、Z)坐标系统中示出了图2中的校准设备19和工作台顶部10的侧视图和俯视图。具体来说，图3a在X-Z平面示出了校准设备的侧视图，而图北在χ-y平面示出了校准设备的顶视图。在图北中，示出了第一和第二校准球体20和22，并且可以看到它们彼此间隔开。可以在预先测量C轴在机床(X、Y、Z)坐标系统中的位置的情况下，销售机床。优选，现在描述的方法包括测量或重新测量该C轴位置的第一步骤。具体来说，可以通过测量其中一个校准球体的中心，将校准设备围绕C轴旋转180° (保持B轴锁止)然后重新测量球体中心位置，由此来找到C轴位置。两个球体中心测量结果的中点给出了旋转C轴的位置。这种用来找到C轴位置的过程在W02007/068912中更为详细地描述。因此，在X、Y、Z 坐标系统中找到了当前或更新的C轴位置，如图北所示。如上所述，重新测量C轴位置是可选的，并且也可以替代地使用由机床制造者确定的位置。大多数机床提供沿着相互正交的X、Y、Z轴的运动，这些正交的轴通常由机床制造商以非常高的精度限定，例如利用激光校准技术。因此找到包括测得的C轴的X-Z平面，该 X-Z平面定义为Y = 0平面，该平面也在图: 中示出。应该注意，校准设备19只需要放置在C轴的大约附近(例如，接近旋转工作台中部的某处)。不需要将校准设备精确地放置在旋转工作台上的特定位置。然后在工作台位于第一 B轴旋转角(例如，B = O0 )的情况下，测量校准设备的第一和第二球体20和22的中心位置。可以采用传统方式，利用机床携带的测量探头测量每个球体表面上的多个点来找到球体中心的位置。然后执行球体拟合处理，以计算球体中心的位置。还参照图4，一旦找到第一和第二校准球体的中心，则在两个球体中心投射直线。 然后找到该直线与Y = O平面相交的点R1，即在机床坐标系统中找到球体中心之间的该直线与γ = 0平面相交的位置。换句话说，在x、y( = 0)和ζ坐标中找到点Rl的位置。参照图5，该与球体中心交汇的直线与Y = 0平面相交的点I也在相对于球体中心定义的局部坐标系统中进行描述。具体来说，图5示出了交点I的位置如何定位地距离第一校准球体20为第一距离a，距离第二校准球体22为第二距离b。沿着连接球体中心的该直线测量距离a和b。然后以绝对距离值存储交点I的位置(例如，可以存储距离a和/或b的值)，但是优选以该点沿着连接球体中心的直线的位置比例来存储。例如，可以存储这样的值，该值定义交点I沿着连接球体中心的直线位于a/(a+b)的位置。以这种方式存储比例，意味着能沿着球体之间的直线计算投射位置。这种计算的示例可见于图5，其中沿着Y轴的比例用于确定在Y = 0平面上的投射XYZ位置。应该注意，在工作台定位于第一 B轴旋转角时，点Rl在空间中与点I处于相同位置。该相同位置在机床坐标系统和局部(物体)坐标系统两者中简单地描述。参照图6，机床将工作台围绕B轴旋转特定的已知角度。因此，工作台10’和校准设备放置在第二 B轴旋转位置，该第二 B轴位置在图6中以虚线显示。由机床携带的测量探头再一次用于测量在新的B轴取向下，第一和第二校准球体20和22的表面上的多个点的位置。然后通过拟合过程建立第一和第二校准球体20和22的中心的新位置。参照图7，示出了工作台处于第二 B轴位置时的几何结构。如参照图5所述，相对于球体中心位置在局部坐标系统中定义点I。因此，随着校准设备转动，点I已经移动。因此，可以利用重新测量的球体中心位置以及先前存储的沿着连接球体中心的直线定义点I 的位置的值，找到点I的新位置。点I在机床坐标系统中的该新位置在图7中以Rail表示。机床控制器也进行编程，通过因B轴旋转导致的点I的位置的名义或计算变化量与先前测量的位置Rl相加，来计算名义位置R2n。换句话说，机床控制器在机床坐标中，计算工作台围绕B轴转过具体的角度之后，点I应该位于何处。然后在测得的Raii和名义R2n 值之间找到差异或者定位误差Δ。然后可以在一个或更多个额外B轴取向下，重复该过程，以建立误差或补偿表。该表可以用于纠正后续的机床移动(目的是提高切削精度)或者利用测量探头获取的测量结果。作为替代，误差表可以简单地用于评估是否需要机械维修或者完整的机床重新校准。因此，本发明可以认为具有在Y = O平面(即包括另一旋转轴C的平面)找到误差的优势。这为在相对于C轴的最优基准位置校正围绕B轴的转动提供了精确的校准数据。 具体来说，利用这种方法不需要精确的物体位置，与并且设置无关，纠正数据可以集中在要求的平面或旋转轴上。还应该注意，如果仅使用一个球体时要求这样的精度，则该球体必须非常精确地
12定位，以使其中心处于Y = 0的平面上。这将要求使用例如分度测试指示器(具有其自身固有的误差)或者类似装置，从而大大增加了测量的复杂性。作为替代，单一球体可以旋转到两个位置，以提供第二虚拟球体，但是，这样做的缺陷在于，精度高度依赖C轴取向的精度。根据本发明，使用两球体校准设备则可以认为相对于单一球体方案具有优势，并且特别在于，它不需要使用复杂的设置过程或者精确知道旋转轴的位置或者取向。参照图8和9，描述了本发明的进一步的方法，该方法也采用将穿过两个球体中心的直线投射到任何方便投射的半径的思想。这种方法包括将校准设备安装到可围绕C轴转动的机床工作台34，该设备包括第一校准球体30和第二校准球体32。旋转工作台34放置在第一角度取向(例如，C = 0° )，如图8所示。测量探头用来测量第一球体30和第二球体32的表面上的多个点，由此利用已知方式计算第一球体和第二球体的中心的位置。穿过测得的球体中心投射直线，并且点Rl定义在工作台旋转轴C的特定半径r处。也记录从第二球体32的中心到点Rl的距离a。旋转工作台34围绕C轴转过一定的角度，例如10°。通过测量球体表面上的多个点，再一次找到第一球体30和第二球体32的中心的位置。穿过新测得的球体中心投射直线，并且找到与第二球体32的中心距离为a的点R2m的位置。机床控制器还计算来自点 Rl的C轴转动的名义位置R2n。然后找到测得的Ran和名义R2n值之间的差异或者定位误差Δ 2。情形在图9中示出。在多个C轴取向下重复该过程，从而建立发生在距离C旋转轴的径向距离r处的定位误差图谱。通过这种方式，可以找到距离该旋转轴的任何期望的径向距离处的定位误差，而不必将校准物体精确地放置在该径向位置。这种方法的优势还在于，它能在一次测量操作中提供有关多个半径上的点的定位误差信息。例如，误差可以映射到工作台中心(r = 0)，也可以映射到外边缘(例如，r = 300mm)。利用单一球体来完成，将要求进行多次测试，并且也将取决于球体的精确定位。相反，利用现在描述的方法，可以从成对球体的单组测量结果找到这些误差。以上事例仅仅例述本发明。技术人员应该理解包含在本发明中的上述例子的众多修改和变形。例如，上述两个校准物体的方法可以用作任何已知校准或校准检查方法的一部分，而这些已知方法先前依靠测量单一校准物体的位置。而且重要的是要注意，虽然上述具体例子描述了机床具有包括双轴旋转工作台的第一部分和可以沿着三个相互正交的线性轴移动的第二部分，但是该方法也可以用于各种不同的机床配置。例如，可以利用这样的机床来实现该方法，在该机床中，第二部分提供一个或多个旋转轴，例如第二部分可以包括单轴或者多轴回转头部单元。包括校准设备的机床的第一部分也可以仅包括一个旋转轴或者不包括旋转轴，和/或可以沿着一个或多个线性轴平移。实际上，在机床上实现所述方法时，第一部分甚至可以完全保持静止，其中第一和第二部分之间的全部相对线性运动和旋转运动都单纯由机床的第二部分的运动来提供。以上用来描述机床不同旋转轴的各种术语也并非特意以任何方式用于限制各种方法的适用性，而纯粹是用来协助理解。
权利要求
1.一种在机床校准或检查校准时使用的方法，所述机床包括相对于第二部分移动的第一部分，所述机床的所述第一部分包括校准设备，所述校准设备包括至少第一校准物体和第二校准物体，所述机床的所述第二部分包括测量探头，所述方法包括步骤(i)利用所述测量探头测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置；( )利用所述步骤(i)的测量结果建立所述第一校准物体的位置和所述第二校准物体的位置；和(iii)为所述校准设备定义基准测量点，所述基准测量点相对于所述步骤(ii)中建立的所述第一和第二校准物体的位置具有固定位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机床的所述第一部分能相对于所述机床的所述第二部分围绕至少一个旋转轴转动，其中在所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分旋转到第一取向的情况下进行所述步骤(i)中的测量。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括步骤相对于所述机床的所述第二部分将所述机床的所述第一部分围绕至少一个旋转轴转动，由此所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分放置在第二取向；利用所述测量探头测量所述第一校准物体和第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置，并由此建立所述第一校准物体的新位置和所述第二校准物体的新位置；和从所述第一校准物体和所述第二校准物体的所述新位置，确定如所述步骤(iii)中定义的所述基准测量点的新位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述机床包括控制器，所述控制器执行步骤根据所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分旋转到所述第二取向， 计算所述基准测量点的新的名义位置。
5.如权利要求4所述的方法，包括步骤将从所述第一校准物体和所述第二校准物体的所述新位置确定的所述基准测量点的所述新位置与所述控制器计算的所述基准测量点的所述新的名义位置相比较。
6.如权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，所述机床的所述第一部分能相对于所述机床的所述第二部分围绕第一旋转轴和第二旋转轴转动，其中将所述机床的所述第一部分相对于所述机床的所述第二部分放置在第二取向的步骤包括仅围绕所述第二旋转轴转动。
7.如权利要求2至6任一项所述的方法，其特征在于，所述机床的所述第一部分能相对于所述机床的所述第二部分围绕第一旋转轴转动，其中所述步骤(iii)包括定义基准测量点，所述基准测量点在所述机床坐标系统中处于包含所述第一旋转轴的预定平面上。
8.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述机床的所述第一部分包括旋转单元，和/或所述机床的所述第二部分包括回转头部单元。
9.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)包括相对于所述机床的所述第二部分沿着多个轴线性平移所述机床的所述第一部分，以允许所述测量探头测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的所述多个点。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(i)在所述校准设备置于第一位置的情况下进行，并且所述方法包括额外的步骤移动所述机床的所述第一部分，以便将所述校准设备放置在第二位置；利用所述测量探头测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置，由此建立所述第一校准物体的新位置和所述第二校准物体的新位置；和从所述第一校准物体和所述第二校准物体的所述新位置确定如所述步骤(iii)定义的所述基准测量点的新位置。
11.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述第一校准物体包括第一球体，而所述第二校准物体包括第二球体，在所述步骤 (ii)中建立的第一校准物体的位置包括所述第一球体的中心的位置，而在所述步骤(ii) 中建立的所述第二校准物体的位置包括所述第二球体的中心的位置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(iii)定义的基准测量点位于穿过所述第一和第二球体的中心的直线上。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述定义的基准测量点位于所述第一和第二球体的中心之间，并且所述定义的基准测量点存储为沿着连接所述第一和第二球体的中心的直线的距离比率。
14.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述校准设备包括可连接到所述机床的基板，其中所述第一和第二校准物体附连到所述基板。
15.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二校准物体的位置在三个维度建立。
16.一种用于机床校准或校准检查的方法，所述方法包括步骤(a)在机床的运动部分提供校准设备，所述校准设备包括至少第一校准物体和第二校准物体；(b)利用所述机床携带的测量探头测量所述第一和第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置，并且由此建立所述第一校准物体的位置和所述第二校准物体的位置；(c)为所述校准设备定义基准测量点，所述基准测量点相对于所述步骤(b)中建立的所述第一和第二校准物体的位置具有固定位置；(d)移动所述机床的所述运动部分；(e)利用所述测量探头测量所述第一和第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置并由此建立所述第一校准物体的新位置和所述第二校准物体的新位置；和(f)从所述步骤(e)中测得的所述第一和第二校准物体的所述新位置确定如步骤(c) 中定义的所述基准测量点的新位置。
17.一种用于机床校准或者校准检查的方法，所述方法包括步骤(a)在所述机床的运动部分上提供校准设备，所述校准设备包括至少第一校准球体和第二校准球体；(b)利用所述机床携带的测量探头测量所述第一和第二校准球体每一个的表面上的多个点的位置并由此建立所述第一和第二校准球体的中心的位置；(c)为所述校准设备确定基准测量点，所述基准测量点相对于步骤(b)中建立的所述第一和第二校准球体的中心具有固定位置；(d)移动所述机床的所述运动部分；(e)利用所述测量探头测量所述第一和第二校准球体每一个的表面上的多个点的位置并由此建立所述第一和第二校准球体的中心的新位置；和(f)从所述步骤(e)建立的所述第一和第二校准球体的中心的所述新位置确定如所述步骤(c)中定义的所述基准测量点的新位置。
全文摘要
本发明描述了一种为机床校准定义基准点的方法，所述机床包括相对于第二部分(4)移动的第一部分(8)。所述机床的所述第一部分(8)包括校准设备(19)，该校准设备包括至少第一校准物体(20；30)和第二校准物体(22；32)。所述机床的所述第二部分(4)包括测量探头(18)。所述方法包括步骤利用所述测量探头(18)测量所述第一校准物体和所述第二校准物体每一个的表面上的多个点的位置。利用这些测量结果建立所述第一校准物体的位置和所述第二校准物体的位置。为所述校准设备(19)定义基准测量点(I)，所述基准测量点相对于所述第一和第二校准物体的建立位置具有固定位置。所述校准物体可以包括球体。
文档编号G05B19/401GK102483621SQ201080037654
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月18日 优先权日2009年8月28日
发明者戴维·约翰·罗杰斯, 詹姆斯·亚瑟·哈特利 申请人:瑞尼斯豪公司