用于检查数控机床定位精度的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于检查数控机床定位精度的方法和系统
[0001]本发明涉及用于检查数控机床，尤其是具有机床工具头和机床工作台的龙门机床，定位精度的方法和系统。在数控(CNC)机床中，机械加工或处理的部件被安装到数控机床的机床工作台上。计算机程序控制机床工具头关于机床工具头到特定位置或沿着机械加工或处理操作执行的特定路径的移动。
[0002]鉴于不同的误差源(如，制造公差，错位等)，机床工具头通常会到达或移动到偏离依据CNC程序或控制的理论的(理想的)位置的一个位置。这种情况下，会出现位移或定位误差。潜在误差有时被分类成静态或动态定位误差，其中，静态定位误差由机械的几何结构，结构硬度等导致的，而动态误差则是基于伺服参数，加速度等。
[0003]为了纠正或补偿定位或位移误差，首先，应当测量或确定这些误差。现有技术提供了不同的使用激光追踪仪或干涉仪伸缩球棒(telescoping ball bar)的误差测量方法。
[0004]根据数控机床的几何结构和/或尺寸，这些传统方法并不总是适合的。例如，在大型机床的情况下，在不同的位置，由于安装在机床工具头处的反射器距离激光源太远，使得无法进行可靠位置确定。鉴于此，存在对确定数控机床定位精度的改进的方法和系统的需求，特别是，对于大型机床。
[0005]因此，本发明提供了根据权利要求1的方法，根据权利要求11的装置以及根据权利要求15的系统。
[0006]尤其是，提供了一种确定数控机床定位误差的方法，机床具有机床工具头和机床工作台，使用X，y，z(笛卡尔)坐标系，其中，z坐标是垂直于机床工作台表面的坐标，该方法包括如下步骤:
[0007]a)在机床工作台上排列多个容器，其中，这些容器相互流体连接以形成连通容器系统，其中，连通容器系统注满液体；
[0008]b)在机床工具头安装距离传感器；
[0009 ] c)将机床工具头定位到垂直于容器中的一个的液体表面的位置；
[0010]d)将距离传感器接近液体的表面并确定距离传感器接触液体表面的z坐标，
[0011]或，
[0012]对于机床工具头的预确定的z坐标，确定距离传感器和液体表面间的距离；
[0013]其中，对于每个容器重复步骤c)和d)以确定相应的液体表面的z坐标。
[0014]该方法可用于许多不同的数控机床的几何结构和/或尺寸的z方向上定位或几何精度的确定。机床工具头被移动到对应多个容器中的一个的位置的X-y位置。这种情况下，传感器被放置于所述容器中的液体的表面上(由数控机床控制给出的高度或Z坐标)，允许液体表面高度或水平面的确定。可以以非接触的方式执行这种确定，如，通过测量距离传感器或机床工具头与液体表面间的距离。作为替代方案，液体表面可从上方而被接近(如，沿着Z轴方向)，直到传感器接触到液体表面。由于容器的排列形成了连通容器系统，所有容器的液体表面的高度或Z坐标是相同的。因而，理论上或理想情况下，对于所有容器，数控机床系统确定的Z坐标应当是相同的。因此，一个容器到另一个容器的Z坐标的任何偏离或偏差允许定位精度和z方向的定位误差的确定。
[0015]由在所有x-y位置上具有相同水平面的连通容器给出的“参考系统”允许使用通常意义上的不精确数控机床以测量和确定其自身和固有的误差。通过对每个容器重复步骤c)和d)，可获得在不同容器位置的液体表面的z坐标的地图。
[0016]数控机床可为龙门机床。
[0017]不同类型的距离传感器是可能的。例如，距离传感器可为非接触距离传感器。特别是，可为激光距离传感器，微波距离传感器或雷达距离传感器。这些传感器，例如，通过飞行时间测量可快速和精确的确定传感器和/或机床工具头与液体表面间的距离。对于这些情况，优选的，所使用的液体是电磁波反射的。例如，当使用激光距离传感器，液体可为对于激光来说是非透明的。
[0018]作为替代方案，在步骤a)，液体是电解质溶液，以及电极元件，称为容器电极，与每个容器的电解质溶液相接触地放置;在步骤b)，距离传感器包含电极元件，称为工具头电极，该工具头电极被安装在机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同；步骤c)包括将工具头电极接近容器中电解质溶液的表面；以及步骤d)包括通过或经由确定工具头电极和相应容器电极间的电势差来确定工具头电极接触的溶液表面的z坐标。
[0019]换言之，本发明提供了一种确定数控机床定位误差的方法，机床具有机床工具头和机床工作台，使用x，y，z(笛卡尔)坐标系，其中，z坐标是垂直于机床工作台表面的坐标，该方法包括如下步骤:
[0020]a)在机床工作台上排列多个容器，其中，这些容器相互流体连接以形成连通容器系统，其中，连通容器系统注满电解质溶液，以及其中电极元件，称为容器电极，与每个容器的电解质溶液相接触地放置；
[0021]b)将电极元件，称为工具头电极，安装到机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同；
[0022]c)将工具头电极接近容器中的电解质溶液的表面；
[0023]d)通过或经由确定工具头电极和相应容器电极间的电势差来确定工具头电极接触的溶液表面的z坐标；
[0024]其中，对于每个容器重复步骤c)和d)以确定相应的溶液表面的z坐标。
[0025]依据该替代方案，工具头电极从上方(如，沿着z轴方向)接近无盖容器中的电解质溶液的表面。由于使用不同的电极，如，不同材料的电极，一旦工具头电极接触到电解质溶液就会产生电势差，类似于伽凡尼电池的情况。这使得系统可以在高精度上确定电解质溶液表面的z坐标。
[0026]电解质溶液可为盐溶液。
[0027]每个容器电极可被放置和/或排列以使其可被电解质溶液浸湿。例如，电极元件，容器电极，可被放置在每个容器内。作为替代方案，每个容器电极可被内嵌到容器壁中(但与电解质溶液接触)或可从容器外侧刺入容器壁。作为进一步的替代方案，容器电极可被作为容器侧壁或底部的部件，例如，作为容器的基本部件。
[0028]步骤c)和步骤d)可包括在从接近溶液表面直到超过预确定的电势差阈值时，周期性和/或连续性地确定电势差。该规律的和/或连续的电势差检测可以非常精确地确定电势何时接触到电解质溶液表面。当容器电极接触到溶液表面时，将出现电势差的突增。通过提供预确定的阈值，测量过程期间的噪声可被可靠的忽略。
[0029]在此描述的方法中，在步骤d)中，一旦电势差的增加，特别是超过预确定的电势差，可被确定，可立即终止接近。
[0030]简单起见，“电势差”可指的是测量到的电势差的绝对值，以避免任何由于符号导致的复杂化。
[0031]该种立即终止减少了时间消耗并加速了整个方法。电势差的确定可包含电势差测量设备。数控机床的控制可周期性和/或连续性轮询或抽样检查电势差测量设备以确定电势差的增加，特别是超过预确定的阈值，是否已经发生，随后停止信号发送到车床工具头驱动部件。可取代的，电势差测量设备可被配置以自动向数控机床发送与检测到的电势差相关的指示信号。该指示信号可被周期性的发送或仅在检测到电势差增加，特别是超过预确定阈值的情况下发送。指示信号可包含确定的电势差和/或(仅)预确定阈值已被超过的指不O
[0032]可以恒定的速度接近表面，尤其是，直到估计的溶液表面的水平面之上的预确定距离。例如，速度可在2毫米/分钟到20毫米/分钟之间。
[0033]容器电极可为金属电极，如，铝制电极。工具头电极可包含防水材料。在面向溶液表面的一侧，工具头电极可具有尖端形状;可具有球状和/或圆锥状。工具头电极可为石墨电极，铜电极或银电极。
[0034]防水或疏水电极，如石墨电极，的使用，具有避免或至少减少测量中的失真或误差(例如，由于一些当接近溶液表面时的毛细效应和/或由于溶液的液滴粘附在工具头电极上导致的)的优点。
[0035]每个容器电极和工具头电极可电连接到电势差测量设备，例如，电压表。可替换的，每个容器电极可电连接到机床工作台的电气接地。
[0036]上述方法的步骤c)和d)可自动执行，特别是，经由数控机床相应程序。例如，容器的x-y位置以及估计的液体，特别是电解质溶液，的表面的高度和水平面以及容器间的移动路径可被在编程进数控机床。这使得可有效执行所述检测定位精度的方法。
[0037]上述方法的步骤a)可包括:
[0038]将光发射器安装到机床工具头；<