专利名称：用于校准多轴计量系统的几何形状的方法
技术领域：
本发明涉及用于表面和波阵面计量的方法和装置；更具体，涉及用于测量相对于机器运动轴和测量设备的表面位置的方法；最具体地，涉及用于集成计量系统的几何形状校准的方法，其中所述计量系统包括多轴CNC机械定位装置和嵌入式波阵面测量量具。
背景技术：
在单点扫描测量系统的应用和加工中，实现精确定位是极为重要的。敏感方向上的定位误差转换为一对一的切削/测量误差。结果，人们将大量的努力投入到精确定位系统的制造、用于测量该精确度的方法、以及用于补偿诸如轴线不垂直等运动偏离的装置。这些方法可以包括位于外部计量框架上的激光位置测量装备。利用这种方法可以实现微米水平或更高的定位精度。
从机器设计方面、以及计量装备的成本方面来说，这些方法可能会非常昂贵。为了获得最好的效果，这些方法还经常要求高水平的环境控制。此外，这些方法通常仅被用在平移运动(X-Y-Z)上。如果在这样的机器中使用主轴，则主轴通常被用于高速转动切削刀具，或者相对于切削刀具转动零件。扫描测量工具，比如轮廓仪和坐标测量机(CMMs)等，很少具有转动轴。这些工具通常用于近似旋转对称表面的方位角扫描。
然而，波阵面测量量具(比如斐索干涉仪或Hartmann-Shack波阵面传感器)以与机械刀具和扫描测量装置不同的方式工作。这种量具在表面—通常整个测试表面—上采集多个测量点，这与沿着测试表面扫描的单个定位点有所不同。结果，在波阵面测量量具中所需要的零件定位和工作台对准条件是相当地粗糙。
波阵面测量量具的纵向测量范围通常比仿形设备的小。结果，零件的定位必须比仿形机的定位要更精确，并且经常需要仿形机所没有的倾斜动作。然而，由于波阵面测量设备提供关于零件相对于量具的位置的自反馈，因此运动的精确性并不重要。而且，相比于仿形机而言，波阵面测量量具的数据获取时间要短若干秒，或短几分钟或更长时间。对于波阵面测量量具而言，零件和测量量具的长时间的绝对稳定性变得不再那么重要。另外的关键差别是仿形机在测量时需要动作。
总而言之，仿形机和高精度CNC加工中心通常需要在三个平动轴上的高精度的动态运动。波阵面测量量具通常需要对零件倾斜定位，但是缺少高的精度和动态条件。
在包括波阵面测量量具和机械定位装置(尽管对于一般用途不是必需的)的计量系统中的精确定位，具有几个用途。有些实例包括校准方法，其采用多个零件动作，测量相对于波阵面测量量具倾斜一定角度的零件或系统，以及在测试表面上不同位置进行的多次测量的子开孔缝合。
这一应用比常用系统需要更精确的动作。现有技术中已知的是，用于仿形机和高精度机加工的方法是利用指示器量具、激光位移量具以及其他类似装置来对准和校准移动的平动轴线。但是该校准是非常昂贵和花费时间的，因此并不能容易地应用于波阵面测量计量系统所必需的旋转轴上。此外，这种方法对于嵌入式量具相对于机械轴和工作台、特别是旋转轴的对中没有公开任何内容。已知的是，通过手动对准或填隙来测量零件楔角/锥度和对中，或相对于主轴轴线消除它们，但是这需要另外的装备和/或冗长的步骤。
所需要的是一种用于集成计量系统的几何形状的校准的方法，该方法利用被嵌入整个系统中的波阵面测量量具。
还需要的是用于将特定的零件表面坐标定位到特定的嵌入式量具坐标上的方法。
还需要的是用于测量安装好的零件相对于主轴轴线的楔角和/或偏心性的方法。
本发明的主要目的是测量在整个计量系统内的波阵面测量量具、测试零件表面、以及机械轴线之间的几何关系，以便获得对于波阵面测量所必须的精度。
本发明的另一目的是在准备移动测试零件表面时校准和对准计量系统，从而使得特定的零件表面坐标定位在特定的嵌入式量具坐标上，而不需要任何另外的昂贵计量设备、嵌入式计量系统或耗费时间的对准。
本发明的又一目的是测量零件相对于主轴轴线的楔角和/或偏心性，进一步精确地对中零件。
发明内容
简单地说，本发明提供一种用于校准和对准计量系统的方法，其中所述系统包括具有多轴零件定位装置和嵌入式波阵面测量量具的机器。在精确地确定平移和转动轴线的空间关系、零件表面坐标和机器坐标之间的空间关系、机器坐标和嵌入式量具坐标之间的空间关系时，在校准机器和嵌入式量具的各个部件时，以及在对准量具和机器时，该量具是整体元件。这种整体对准在利用多个重叠的子开孔测量的数学缝合确定测试零件的超开孔表面特征的过程中是有用的。
在最宽泛的形式下，该方法包括使用嵌在多轴零件定位机器中的波阵面测量量具，其中所述机器位于集成计量系统内，以便直接帮助校准和对准机器的部件、量具、测试表面及其各种组合。
组合的量具和机器的重要应用是在主轴轴线对准步骤中，在此称之为“零件安装”(“part-on-mount”)步骤，其中测试零件被安装在机器主轴上的工作台或卡盘上，并且在主轴上且在量具波阵面中转动，以便产生多个X和Y测量值。对这些测量值进行处理，以便确定主轴、零件表面和嵌入式量具的几何相对关系。当在量具内采用球面光学，例如用于测量球形测试表面时，主轴轴线与量具聚焦点(量具焦点)相对准。当在量具内采用平面光学时，主轴轴线与量具波阵面的传播方向相对准。
用于校准和对准计量系统的所有部件的完整方法包括下述步骤f)粗略地使机器旋转轴与它们的各个平动轴对准，并且为转动轴设置标称零点；g)将嵌入式量具主机架对准机器轴线；h)将嵌入式量具焦点定位在A旋转轴(主轴)上(为进行准直测试而平行于主轴轴线；注意只要聚焦元件改变，就应该重复该步骤)；
i)当对准时，确定旋转轴之间的空间偏移，以及电机步进尺寸(如果还没有精确知道的话)；j)精确地对准机器旋转轴及其各自的平动轴，并且利用嵌入式量具为旋转轴设置精确的零点。
通过结合附图阅读以下的说明书，将更加明显可见本发明的前述以及其他目的、特征和优点，及其目前优选的实施例，在附图中图1是根据本发明的多轴计量系统的立体图；图2a是图1所示设备所实施的三个旋转轴和三个平动轴的立体简图；图2b是图2a所示旋转轴之间的偏移的立体简图；图3是表示各种球面测试零件(图3a-3c)的共焦/零定位的示意图，其中测试零件被定位成测试表面的标称曲率中心与嵌入式量具显现的球面波阵面的中心接近匹配；图4是表示各种平面测试零件(图4a-4b)在嵌入式量具发出的准直光场中的定位的示意图，其中测试零件被定位成零件表面法线平行于光场的传播方向；图5a-5b是表示根据本发明的测量系统的可堆叠元件的示意图，包括5a)设置在嵌入式量具内的球面量具聚焦元件(例如在嵌入式量具是斐索干涉仪的情况下的传动球)；5b)固定在围绕轴线B可转动的工作台上的主轴轴线A；5c)设置在嵌入式量具内的传动平板；5d)设置在底座上的任意位置处的球面测试零件；以及5e)具有楔角并且设置在底座上的平面测试零件；图6a是表示图5d的球面测试零件和底座的示意图，该零件和底座被设置在主轴轴线A上，以便围绕图5b所示轴线B转动；该组件被设置在如图5a所示的用于测量球面零件的嵌入式量具的测量范围内；图6b是表示图5e的平面测试零件和底座的示意图，该零件和底座被设置在主轴轴线A上以便围绕图5b所示的轴线B转动；该组件被设置在如图5c所示的用于发射准直光场的嵌入式量具的测量范围内；图7是表示用于确定零件的标称曲率中心、主轴轴线A以及量具焦点之间的距离的方法(或者在平面测试零件的情况下，主轴轴线、零件表面法线以及量具法线之间的角度)的示意图；图8a和8b表示具有标称曲率半径R1的样品凸面零件(图8a)，以及具有标称曲率半径R2的样品凹面零件(图8b)，用于表示对准误差；以及图8c是表示对于图8a和图8b所示样品零件的情况，轴线A没有对准轴线Z所引起的对准误差的示意图。
具体实施例方式
参照图1和图2，根据本发明的计量系统10包括被安装(或嵌入)到多轴机器14的波阵面量具12，例如干涉仪，其中所述多轴机器14确定了工作站，该工作站具有用于在测量零件过程中接收和移动测试零件20的工作台18。机器运动的构造如图2a所示，其中具有六个机械轴线，三个是平动轴(X，Y，Z)，三个是转动轴(A，B，C)。应该理解到，轴线的其他构造(包括不同数量和/或次序的轴线)也可能在本发明的范围之内。这六个轴线中的每一个上的运动可以例如通过致动器16(比如具有传统的安装和传动装置的步进电机组件)被独立地控制。所有的机械轴都可以受自动控制或手动控制。控制的类型并不是该过程的必要部分。机械轴线应该定位测试零件，从而使得嵌入式量具波阵面标称地与非平面检测零件表面的任意截面的曲率中心一致(或者在标称平面零件的情况下，量具波阵面的传播方向34标称地平行于测试表面法线38)。本文称此为表面共焦和/或零位，如图3所示，并且会在下文进一步讨论(图4用于表示标称平面测试零件)。
在根据本发明的计量系统的该优选实施例中，用于接收测试零件20的卡盘或工作台18确定了基本与轴线A正交的工作站表面。嵌入式量具12被安装成沿着X和Y轴平动。
为了以下讨论的目的，假设X，Y和Z轴移动互相正交；B轴平行于Y向平动；B和C轴正交；并且A和C轴正交。对于高质量机器平台而言，比如CNC机器中所使用的，这些假设在对微米范围的表面拓扑所必须的误差范围内是正当的。此外，在此所用的惯例是，如果B＝0并且C＝0，则A轴的指向沿着Z轴。在B和C的任意其他位置时(当然除了其旋转180°之外)，Z轴不平行于A轴。下文中将会介绍精确地对准A和Z轴的方法。
但是对于如所提供的大多数的这种多轴机器而言，旋转轴线相对于彼此的位置以及相对于平动轴线的位置并非必须精确到足以与嵌入式测量量具一同进行测量，B和C的位置也不是必须使A平行于Z。此外，对于计量仪器10而言，嵌入式量具12应该被对准成为大致平行于工作站Z轴。最后，安装载工作台18上的测试零件20在空间中的位置应该具备与工作站轴线和嵌入式量具有关的特征。在应用该装置的过程中，轴线、量具、被测试零件之间的空间关系应该被设计测试零件动作时的数学特征量化，并且被修正或者被推测到并且得到补偿。
本发明的一个重要方面是，为了获得对足够精确的零件定位的高度对准和/或补偿，在以下公开的方法中，将所采用的嵌入式量具12与机器14的机械轴线相结合。
参照图3至7，根据本发明的方法的要点是确定安装在工作台上的测试零件20(参见图1)相对于A轴以及相对于嵌入式量具12(和/或量具元件28或32)的位置，该方法要素被称为“零件安装”步骤。该测试零件可以具有标称平坦表面，比如零件35的表面33，或者可以具有呈楔形的标称平坦表面，比如零件37，或者具有标称球形表面，比如零件42的凸起表面40或分别位于零件44a、44b上的凹陷表面46a、46b(图3a-3c以及图8a-8c)。(需要注意的是，非球面表面可以是覆盖足够小的孔的标称球面。)该方法包括下述步骤f)在分别如图6a(球面)和6b(平面)所示的嵌入式量具12的波测量场50a(球面)50b(准直的)中，使零件及其底座(如图5d所示针对球面零件，或者如图5e所示针对平面零件)与主轴/A轴工作台(如图5b所示)相匹配(通常，零件被预先固定到底座48上，以便随后安装到工作台或卡盘上)；g)获取在不同主轴(A轴)旋转位置(至少2个)处的一系列零件测量值；h)提取每个测量值的倾斜分量，以便获得多个数据点22，如图7所示；i)为倾斜和主轴位置数据拟合(fit)圆；以及j)根据所拟合圆的圆心向量60和半径向量26确定量具到主轴以及主轴到零件的不重合度。
对于零件测量而言，仅需要在每个A轴位置处的倾斜值。通过对嵌入式量具测量数据进行平面拟合(并且记录拟合系数)可以获得这些倾斜值，或者通过反复的再定位轴线并且重新测量波阵面，直至嵌入式量具在特定的A位置测量到可忽略的倾斜量(记录该最终轴线位置)而获得这些倾斜值。
在A轴(主轴)的两个(或多个)不同位置处获得测量结果之后，可以计算零件相对于嵌入式量具和主轴的位置。如图7所示，为坐标三点22(A、X倾斜、Y倾斜)的校正而拟合圆(在X倾斜/Y倾斜坐标平面内)。(在此示出了三点的情况，但是应该认识到，在图7中实际上只绘出了X和Y倾斜)。拟合参数包括圆的圆心和半径坐标。圆心24，当相对于量具坐标原点62表示该圆心时，其成为向量60，该圆心代表量具到主轴的未对准度。圆的半径，向量26，代表主轴到零件的未对准度(请注意，可以画出无穷个半径向量；所选的这个向量对应于轴线A的一个特定位置)。
对于球面零件而言，向量60(图7中)对应于图6a中的量具焦点36和主轴轴线A之间的位移。(注意，在2D平面视图中不能精确地绘出2D位移，图6a中所示出的距离是向量60的x分量)。或者，可以通过除以测试表面的曲率半径R1、并随后采用反正切而表示成未对准角。向量26指示从测试表面曲率中心61到主轴轴线A的距离，可以以类似的方式将其表示成角度。
对于平面零件而言(在准直波阵面测试中)，在图6b中，向量60对应于角坐标(而不是横线坐标)中的位移，其指示准直波阵面法线68和主轴轴线A之间的角度。向量26指示测试表面法线38和主轴轴线A之间的角度。
或者，如果假设量具未对准度为零或者为其他已知数值，则仅需要一个测量值来估算零件—主轴的未对准度。从假设的量具未对准值(假设未对准度为零时的轴线原点)到单个被测点绘出了图7所示的半径向量26，该向量26因此等于在特定的A轴位置处测得的倾斜值减去量具未对准度的假设值。本质上，估算半径向量26的准确度受到估算主轴到量具未对准度(半径向量60)的准确度的限制。尽管不如上述的多次转动法精确，但是该方法对于提供对未对准度的初始估算还是非常有用的，该估算可以通过其他方法获得细化。当由零件到主轴的未对准度所产生的倾斜与嵌入式量具的倾斜测量能力范围相比较大时，这一点特别合适。这种情况下，初始估算允许通过额外的动作(根据零件-主轴未对准度的初始估算)增加“零件安装(part-on-mount)”所需的转动，由此显著地增加量具获取有效倾斜测量值的能力。
用于校准根据本发明的多轴计量系统的几何形状的整个方法的第一步是以下述的已知方式，通过设置B和C轴的原点而粗略地对准A使其平行于Zf)将刀具插头(未示出)安装到主轴A中，并且离开旋转范围以及Z轴安装指示器(从而移动Z轴引起刀具插头相对于指示器移动)。理想地，该插头的指向应该完全沿着A轴，但是在实践中由于该插头和/或主轴并不是完美的，因此转动A以便在YZ平面内定向为具有最大插头偏转(相对于A)。
g)调整指示器，使其测量插头的X位移。
h)慢进给Z并且调整B，直至沿着插头的指示出的总偏转在Z向被最小化，借此找到B的原点。
i)通过转动A轴90°对Y轴重复以上步骤，从而在XZ平面内定向成最大插头偏转。重新定向该指示器，以便测量Y的位移。
j)通过再次慢进给Z并且调整C，直至沿Z轴的指示出的总偏转被最小化。
现在已经确定了B和C的旋转原点，并且已将其归零(B＝0，C＝0)，并且A轴已经在机械装置的限制范围中大致平行于Z轴。根据本发明，如后面步骤所介绍，利用嵌入式量具12可以实现更精确的对准。
第二步骤是使嵌入式量具主机架粗略地对准机械定位系统，具体如下所述
d)在机器平台14上安装量具12，不带有聚焦元件28，从而使得具有内部光学轴线31的波阵面30从量具中发射出。事先应该对旋转轴线进行校准(对B和C的位置进行设定，从而使得A轴近似平行于Z轴)。
e)在A轴主轴工作台18上安装光学平板(比如零件35)作为测试零件，并且进入对嵌入式量具(如果存在的话)“粗略对准”模式。执行上述的“零件安装(part-on-mount)”步骤，以便确定量具对A轴的未对准度。对于该操作而言，“零件安装(part-on-mount)”步骤可以被修改，从而使得测量以及A轴运动可以由操作者实时执行(“目测”，采用量具的粗略对准模式)，而不是以离散的移动/获知步骤执行。
f)翻倒和/或倾斜嵌入式量具的安装支架，以便消除量具未对准项，借此使圆形图像(此处未示出，但是出现在量具控制屏或标线上)定心在嵌入式量具的光学轴线上。嵌入式量具主机架被粗略地与工作站相对准。
应该指出的是，如果粗略的机器旋转原点在随后丢失(在步骤1中获取之后)，操作者可以执行稍加改动的步骤2，而不是重复步骤1和2。当最小化量具未对准度时(在该情况下其确实为“原点未对准”)，可以只调整B和C，而不是翻倒或倾斜量具安装支架(如在步骤2中)。这样可以找回粗略的机器旋转原点，并且量具主机架仍然与工作站对准。
第三步骤是通过相对于干涉仪主机架对准量具、并获得机器的X和Y位置来精确地对准嵌入式量具的聚焦元件28和工作站的，这使得焦点位于A轴上。
e)将所需的聚焦元件28安装到嵌入式量具主机架上。
f)将聚焦元件对准内部量具光学轴线31。(请注意，轴线31实际上位于图3和图4中的传动元件的后方。例如，如果前述的对准步骤没有进行，外部轴线34会相对于内部量具轴线31弯曲。)例如，当量具是斐索干涉仪时，该聚焦元件是传动球体(transmissionsphere)，并且对准步骤如下iv)进入对干涉仪的“对准”模式。请注意，反射在干涉仪标线上的对准点。利用对传动球的翻倒-倾斜控制将该对准点目测地定心在标线上。随后，精确对准干涉仪光学轴线和工作站A轴。
v)将光学平板36(优选为厚度已知)安装在工作站主轴(A轴)工作台上。慢速进给工作站Z轴，直至出现干涉仪猫眼图案，随后利用传动球翻倒/倾斜控制消除该猫眼条纹。记录工作站在此位置时的Z轴位置，这是聚焦元件的焦点在机器的Z坐标框架内的真实Z轴位置，随后减去光学平板的厚度。
vi)拆除光学平板36。
g)通过将测试球(或其他标称无楔面测试零件，尽管原则上可以容许较大的楔面和/或偏心)安装到工作站主轴工作台上来将A轴定位到嵌入式量具光学轴线上，并且执行“零件安装(part-on-mount)”步骤，以便相对于量具(例如，图7所示的半径向量60)定位A轴位置。
h)相对于嵌入式量具仅以平移运动来移动工作台(以及零件)，即沿着X、Y和Z轴移动，从而使得量具焦点与A轴重合。记录X和Y位置；这是量具焦点36的法线位置，其与A轴相交。
在需要准直测试的情况下，采用平面元件32(而不是聚焦元件28)，并且对准步骤稍有不同。在干涉仪中安装传动平板32。进入“对准”模式，并且利用传动元件的翻倒/倾斜调整来将对准点定心到量具标线上。把测试平板35(该测试平板带有的开孔小于传动平板开孔)安装到工作站主轴工作台18上。执行稍加改动的“零件安装(part-on-mount)”程序在每个新的A轴位置，除了倾斜数据之外，还要提取并记录零件在量具坐标系内的X-Y坐标(例如有效测量数据的质心)。按照对“零件安装(part-on-mount)”的标准处理倾斜数据；这样获得改动后的旋转原点(针对平板活动)。与图7相类似地处理质心数据，其关键的差别在于图7的轴线不再倾斜/偏心，而是所提取的在每个A轴位置处的测量值的X-Y坐标。将数据拟合为圆并且记录该圆的圆心。该圆的圆心是在嵌入式量具坐标系内的A轴位置(旋转中心)。
第四步是通过确定A、B和C轴之间的空间关系(参见图1)、电机16步幅的标度、以及量具焦点相对于机器的位置(见图4)来校准CNC机器的几何形状。这些常数随后可以被编程写入CNC控制器。注意，所有的这些值能够由该步骤算得，但不是必须由该步骤算得。例如，电极步幅标度通常可以通过其他方法更精确地获得，并且具有相对较小转动的旋转轴可以(例如，如果C轴仅有几度的活动范围)不需要如此精确的校准(精确程度较低的方法将会足够)。此外，一旦计算出这些数值，则不再需要对它们进行再次校准(除非该机器发生某些剧烈情况)。
参照图2a和2b，校准的机器常数包括f)步进电机的步幅的物理尺寸(δx，δy，δz mm/步)，其中X＝ξδx；Y＝ηδy；Z＝ζδz，并且其中ξ，η，ζ是以电机步幅为单位的轴线位置。
g)在B和C之间沿Z方向(zc)的偏移；h)在A和C之间沿X方向(xb)的偏移；i)在A和C之间沿Y方向(yc)的偏移，当C的运动受到限制时，后者并非是必须的；以及j)从B到主轴表面的距离，该值可以从B到零件曲率中心的距离(zF)推导出(见图6a)(不适用于平坦测试零件)，并且需要获知该零件如何安装在主轴上。
为了通过确定A、B和C轴之间的空间间隔(参见图1、2a和2b)来校准CNC机器的几何形状，g)将高数值孔径、低楔角的零件装入主轴(即球)。
h)移动X和Y，使得A轴通过量具焦点36。
i)沿着x轴定向零件中的任意楔面(转动A轴直至条纹垂直)。
j)利用X、Y、Z(B和C都应该为0)找到共焦位置(如图3所示)。
k)对几个位置重复下述步骤v)转动B轴到新的角度值(例如，大约增加5度)；vi)仅利用X和Z寻找干涉零点；vii)应该指出的是，零点所需的任意Y向调整，其指示B并不垂直于X-Z平面；
viii)记录X、Z、B的位置。
1)将下述表达式最小化(例如通过最小二乘法拟合)ϵ2(P,Q,R,S)=12(n+1)Σj=0n({ξj-Pcos(Bj)+Q[1-cos(Bj)]+Rsin(Bj)}2+{Sξj-R[1-cos(Bj)]+(P+Q)sin(Bj)}2),]]>该表达式假设在(n+1)位置获得零点，并且拟合参数为P(零件偏心)、Q(xb/δx)、R(zF/δx)、S(δz/δx)。对于其他转动轴和平动轴之间的关系(例如，可以通过C、Y和Z的动作以及类似的最小化表达式获得yc)，可以直接修改步骤e)和f)。
参照图8，第五步骤是通过利用嵌入式量具，而不仅仅利用机械装置来获取A和Z轴的更精确的对准。该步骤需要沿着Z轴在工作台18的2个或更多个不同位置处的共焦点处进行测量，优选使用同一聚焦元件28。例如，可以使用两个或更多个具有不同曲率半径的球面测试零件，比如零件42和46来实现上述的测量。原则上，相同的零件可以与不同长度的底座一同使用，但是为了使A-Z角度测量的精度最高，需要在不同的共焦点测量的Z位置之间具有较大的差距。可以使用附加的零件、以及最小二乘法拟合，以便获得对A-Z未对准角度值的不确定性的估算。
f)首先，选择传统的聚焦元件28(能够测量现有的测试零件)。
g)随后对每个测试零件顺序执行“零件安装(part-on-mount)”步骤，对每个零件记录横向量具未对准度项(在xy坐标系中从A轴到量具焦点的位移60)。图8c表示出A-Z未对准角70是如何在不同的Z值处引起明显不同的主轴到量具的未对准度。图8c示出了在系统的X和Y已经被调整成没有主轴—量具未对准度(特别是对于Z、A-Z未对准角以及固定装置的情况)的情况下，零件46上的凹陷表面44。也就是说，主轴轴线A与量具焦点36相交。然而，当为了测试零件42上的凸起表面44而向上移动(沿着Z轴)工作台时(保持相对的X和Y位置固定)，主轴—量具未对准量70被示出在该新的Z轴位置产生了明显的未对准度，如图8c中心的箭头72所示。应该指出的是，所引起的量具到主轴误差量等于未对准角的正切乘以在两次测量之间沿Z轴的差值。为简单起见，零件42和46的零件到主轴的未对准量在图中被表示为零，并且仅在X方向示出了误差(平面图)，但这些并不是该过程的必要特征。
h)对每个尺寸相对于Z轴位置(即X对Z，Y对Z)的未对准量进行线性拟合；该线的斜率度是A-Z未对准角70的正切。
i)借助该未对准角调整B和C原点，以便消除该未对准角。
j)重复整个过程，以便确认对准和/或进行迭代，以便获得更准确的对准(目标是没有未对准，即A轴平行与Z轴，以便在机器的位置精度范围内)。
根据本发明，零件安装(part-on-mount)方法对于不借助外部计量装备和/或冗长的机械方法来执行各种机器和嵌入式量具的对准是非常关键的。不过，此外，该方法还适用于其它用途。例如，由零件安装(part-on-mount)方法获得的计算结果之一是相对于主轴轴线的楔角(和/或对球而言的偏心)。测量(有些情况下最小化)楔角和偏心本身就是有用的尝试(独立于机器和嵌入式量具的对准)。该方法可以以几种方式用于该用途。
对于球面而言，零件安装(part-on-mount)方法并不分辨倾斜和偏心(由于球面的点对称)。然而其他方法能够用于对齐测试零件的物理边缘，由此独立于零件安装(part-on-mount)方法确立中心轴。这样，如果能够独立于零件安装(part-on-mount)方法测量测试表面的对中或楔角，则零件安装(part-on-mount)方法可以用来求取其他未知数值。例如，可以利用传统的机械方法(比如使机械指示器对齐在零件边缘上，并且反复地旋转主轴，同时轻打零件，直至确定其中心)相对于主轴确定带有圆形边缘(常见于光学用途中)的零件的中心。由于在零件安装(part-on-mount)过程之前已经消除偏心，因此随后可以执行零件安装(part-on-mount)方法，并且将返回零件楔角的数值(进一步限制于对中精度的精确度)。
类似地，可以在零件安装(part-on-mount)方法之后采用所谓的反向方法，以便分离造成零件到主轴未对准的各种误差因素的影响。例如，如果零件(在两侧标称地平坦，但不是必须平行的，比如零件37)被直接安放在主轴工作台18上，则零件到主轴的未对准项有两个主要原因零件37的前表面和后表面之间的角度，以及主轴面法线和主轴轴线之间的角度(即主轴面和/或中间零件固定装置相对于主轴轴线的不垂直度)。通过相对于主轴转动零件180度(不是转动主轴180度)，则导致误差的因素相反。在这些构造下执行零件安装(part-on-mount)能够使零件到工作台和工作台到主轴轴线未对准分量相分离，并且根据主轴到零件的未对准度能够独立地确定上述各分量。相同的反向原理还可以用于分离产生误差的原因，其中所述所述误差原因可以借助零件安装(part-on-moun技术、由更复杂的零件和安装构造测得。
当然，这样的误差分离并不限于反向方法。任何测量技术都可以采用，只要其能够分离具体分量对未对准的影响。例如，可以借助机械指示器来测量主轴面的锥度。为了分离测试零件的前表面和后表面之间的角度(楔角)与主轴表面，可以从之前所述的平面零件的零件安装(part-on-mount)测量中减去上述锥度测量结果。可以理解到，该方法的精度被限制到一定程度，即安装可被重复(运动学上的)的程度。
采用嵌入式量具，而非采用某些机械指示方法，能够使零件的曲率中心和主轴轴线对准。当然，应该利用机械装置来调整零件定位(例如，通过对零件边缘非常轻微的敲打)，但是零件安装(part-on-mount)方法能够提供零件到主轴未对准度的原位测量，由此能够使未对准度最小化。
可以理解，基于这些校准方法所设计的动作的精度受到预先假设(例如轴线正交性)的精确程度、以及测量的不确定性的限制，校准即是从中该测量中衍生出的。
这些步骤的校准“持续时间”如下对于给定的机器，步骤1和4只需要执行一次，除非有任何机器损坏。当干涉仪被首次安装到系统中，或失去(例如，步进电机系统的步进计数丢失)旋转轴原点(A平行于Z)时，执行步骤2和5。只要聚焦元件改变，即执行步骤3。只要零件安装在机器上就执行零件安装(part-on-mount)，并且所述零件安装(part-on-mount)还可以用作其他步骤的子步骤。
尽管参照各种具体实施例对本发明予以介绍，但应该理解到，可以在所述发明概念的精神和范围内作出多种改动。因此，本发明并不意在将自身限制到所介绍的实施例，而是具有由下述权利要求的语言所限定的整个保护范围。
权利要求
1.一种用于确定测试零件相对于主轴轴线的位置、主轴轴线相对于波阵面测量量具的位置的零件安装方法，该方法用在计量系统内，其中所述计量系统包括具有主轴轴线和波阵面测量量具的零件定位装置，所述方法包括下述步骤a)将所述测试零件安装到所述主轴轴线上，从而所述测试零件的表面暴露给所述量具；b)在所述主轴的多个转动位置处通过所述量具获取所述测试零件表面的测量值；c)从每个所述转动位置的所述表面测量值中提取倾斜分量；d)对所述倾斜分量和所述转动位置拟合圆；以及e)确定所述圆的中心和半径坐标，以便分别提供量具到主轴和主轴到零件的未对准度。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述测试零件表面选自非球面、球面以及平面构成的群组中。
3.根据权利要求2的方法，其中，所述拟合步骤包括最小二乘法逼近。
4.根据权利要求2的方法，其中，所述拟合步骤包括目视检查。
5.根据权利要求1的方法，包括以某些其他方法测量所述球面测试零件的楔角/偏心的预先步骤，以及减去从所述主轴到零件的未对准值所获得的数值、以便唯一地确定所述测试零件的楔角和偏心的附加步骤。
6.根据权利要求1的方法，其中，零件到主轴的连接包括一个或多个可转动件，每个可转动件均会产生对零件到主轴的未对准有影响，该方法包括以下步骤a)执行权利要求1的步骤，以便获得所有可转动件在特定方向上的零件到主轴未对准度的测量值；b)转动至少一个所述可转动件使其经过已知角度；c)执行权利要求1的步骤，以便测量可转动件在这些新方向上的零件到主轴的未对准度；d)对每个附加的可转动件重复步骤b)和c)至少一次；并且e)对所有的零件到主轴未对准值执行数学分析，以便获取每个可转动件单独对未对准的影响。
7.根据权利要求1的方法，包括为了从所述零件定位装置中的其他部件分离出对未对准的影响，而减去所述零件定位装置中的特定部件对未对准的影响。
8.根据权利要求1的方法，为了将所述测试表面对准所述主轴轴线，其中相对于所述主轴轴线调整所述零件的位置，以便使主轴到零件的未对准值最小化。
9.一种用于确定测试零件相对于主轴轴线的位置的零件安装方法，该方法用在计量系统内，其中所述计量系统包括具有主轴轴线和波阵面测量量具的零件定位装置，假定特定的量具到主轴的未对准值，所述方法包括下述步骤a)将所述测试零件安装到所述主轴轴线上，从而所述测试零件的表面暴露给所述量具；b)在所述主轴的转动位置处通过所述量具获取所述测试零件表面的测量值；c)从所述表面的测量值中提取倾斜分量；d)从所述倾斜分量中减去所述假定的量具到主轴的未对准值，以便提供主轴到零件的未对准的估计。
10.一种利用嵌入式量具和测试表面来确定机械定位系统的几何常数的方法，其中所述系统包括X，Y和Z平动轴以及A，B和C转动轴，其中常数可以包括平动轴的横向比例、旋转轴之间的空间间距、以及量具焦点相对于机器工作台的轴向位置，所述方法包括以下步骤a)提供具有聚焦元件的所述嵌入式量具；b)将具有测试表面的测试零件安装到所述机器工作台上；c)将所述旋转轴的位置设为零；d)沿着所述X和Y轴的至少一个移动所述工作台，使得所述A轴经过所述量具的焦点；e)调整所述平动轴，使得所述测试表面与所述嵌入式量具共焦；f)将所述转动轴之一转动到新的角度值；g)通过调整所述平动轴将所述测试零件重新定位在所述共焦位置处；h)记录达到所述共焦状态的轴的位置；i)对所述转动轴的几个不同位置重复步骤f)和g)；以及j)对所述机器几何外形的分析模型执行数值拟合。
11.一种用于对准波阵面测量量具和具有主轴轴线的机械定位系统的方法，包括以下步骤a)将拆掉聚焦元件的所述量具安装到所述机械定位系统上；b)调整所述机械定位系统的机械轴到所需的工作原点位置；c)将具有至少一个平坦表面的测试零件安置在所述主轴上；d)利用所述量具测量所述主轴(A)轴线和所述量具之间的角度未对准量；以及e)基于所述角度未对准测量值，相对于所述机械定位系统重新定向所述量具主机架，以便对准所述主机架和所述主轴轴线。
12.根据权利要求11的方法，其中步骤d)包括零件安装步骤。
13.一种用于校正和对准计量系统的方法，其中所述计量系统包括多轴机械定位系统和嵌入式波阵面测量量具，以便精确地确定系统的平动轴和转动轴之间的空间关系，所述方法包括下述步骤a)粗略地对准所述机械定位系统转动轴A，B和C以及所述各自的平动轴Z，Y和X，并且对所述转动轴设置标称零点；b)将所述嵌入式量具的主机架对准所述机械定位系统；c)将所述嵌入式量具对准所述A转动轴(主轴)；d)当如此对准时，确定在所述转动轴之间的空间偏移；以及e)精确地对准所述机器转动轴和所述各自的平动轴，以便对所述转动轴设置精确的零点。
14.根据权利要求13的方法，其中，步骤b)包括下述步骤a)选择聚焦元件；b)将所述聚焦元件安装到所述嵌入式量具主机架上；c)将所述聚焦元件对准所述量具主机架的光学轴线；d)将具有至少一个曲线表面的测试零件安装到所述定位系统的主轴轴线上；e)利用所述量具确定在所述主轴和所述量具光学轴线之间的任何未对准；以及f)沿着所述机械定位系统的一个或多个平动轴移动所述测试零件，以便消除所述未对准。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述聚焦元件是传动球，而所述嵌入式量具是斐索干涉仪。
16.根据权利要求14的方法，其中，所述确定步骤包括零件安装步骤。
17.根据权利要求13的方法，其中，所述嵌入式量具产生标称准直波阵面，并且其中步骤b)包括下述步骤a)在所述准直波阵面中安装光学平板；b)将具有至少一个平坦表面的测试零件安装到所述定位系统的主轴轴线上；c)利用所述量具确定在所述主轴轴线和所述波阵面准直方向之间的任何未对准；以及d)移动所述机械定位系统的至少一个转动轴线，以便消除所述未对准。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述嵌入式量具是斐索干涉仪。
19.根据权利要求17的方法，其中，所述确定步骤包括零件安装步骤。
20.一种用于确定在量具坐标系统中的机械主轴轴线的图像位置的方法，该方法用在包括多轴定位机器和处于准直模式的嵌入式波阵面测量量具的计量系统内，所述方法包括以下步骤a)将具有至少一个平坦表面的测试零件安装到所述定位机器的主轴轴线上，使测试零件暴露给所述量具波阵面，开口尺寸被完全包含在所述量具波阵面内；b)在所述主轴轴线的多个旋转位置处测量所述零件表面；c)从在每个主轴位置处的所述测量值中提取在量具坐标系统内的x-y坐标；d)对所述x-y位置拟合圆；以及e)确定所述圆的中心和半径坐标，以便分别提供在嵌入式量具坐标系内的主轴图像的位置和零件到主轴的偏心未对准。
21.一种用在计量系统中的方法，其中所述计量系统包括波阵面测量量具和零件定位装置，该零件定位装置具有至少一个转动轴和至少一个平动轴，所述方法用于对准所述一个转动轴和所述一个平动轴，所述方法包括以下步骤a)将测试零件安装到所述转动轴上；并且b)获得在所述转动轴的多个位置处的所述测试零件表面的量具测量值。
22.根据权利要求21的方法，还包括获得在沿着所述平动轴的多个位置处的所述测试零件表面的量具测量值的步骤。
23.根据权利要求21的方法，其中，所述零件定位装置包括第二转动轴，为了更精确地测量第一转动轴和第一平动轴之间的未对准，所述方法进一步包括以下步骤a)利用共焦地安装在第一平动轴的多个位置处的至少一个球面零件，在所述第一平动轴的多个不同位置处重复执行权利要求21的步骤，以便产生代表在所述量具和所述第一转动轴之间的、且在垂直于第二转动轴的平面内的未对准的多项数值；b)对所述多项量具未对准值相对于沿着所述第一平动轴的位置拟合直线；以及c)计算在所述平面内、所述转动轴偏离所述第一平动轴的未对准角，其等于所述直线拟合的斜率的反正切。
24.根据权利要求23的方法，其中，利用多个具有不同半径的球面测试零件执行步骤a)。
25.根据权利要求23的方法，其中，利用带有多个底座的一个球面测试零件来执行步骤a)，其中所述多个底座具有不同的厚度。
26.根据权利要求23的方法，还包括利用所述未对准角调整所述第二转动轴的原点的步骤，以便减小所述未对准。
27.根据权利要求26的方法，其中，重复地执行所述未对准测量和调整步骤，以便使所述未对准最小化。
28.一种用在根据权利要求21的计量系统内的方法，在该计量系统中，所述零件定位装置包括三个平动轴，定义为X，Y和Z，以及三个转动轴，定义为A，B和C，所述方法用于精确测量A转动轴和Z平动轴之间的未对准角，所述方法包括下述步骤a)利用共焦地安装在所述Z轴多个位置处的至少一个球面零件，对所述Z轴的多个不同位置重复地执行权利要求21的步骤，以便产生代表所述量具和所述A轴之间的未对准度的多个X和Y方向未对准项；b)对所述多个X和Y横向量具未对准项相对于Z轴位置进行直线拟合；并且c)沿所述X和Y方向计算所述X和Y方向上的所述A-Z未对准角，其分别等于沿所述X和Y方向中的每一方向的所述拟合直线的斜率的反正切。
29.根据权利要求28的方法，其中，所述执行步骤包括下述零件安装步骤，以便获得所述X和Y未对准项a)将所述测试零件安装到所述主轴轴线上，使得所述测试零件的表面暴露给所述量具；b)在所述主轴的多个转动位置处利用所述量具获得所述测试零件表面的测量值；c)从每个所述转动位置处的所述表面测量值中提取倾斜分量；d)对所述倾斜分量和所述转动位置拟合圆；以及e)确定所述圆的中心和半径坐标，以便分别提供量具到主轴以及主轴到零件的未对准。
30.根据权利要求28的方法，还包括利用所述计算得到的未对准角调整所述B和/或C转动轴的原点的步骤，以便使所述A-Z未对准最小化。
31.根据权利要求30的方法，其中，重复地执行所述测量和调整步骤，以便改进和/或确认所述A-Z偏心的所述最小化。
全文摘要
一种用于校正和对准计量系统的方法，其中所述系统包括具有多轴零件定位装置的机器，并且在机器内嵌有波阵面测量量具。该量具被用来确定平动轴和转动轴之间、零件表面坐标和机器坐标之间、以及机器坐标和嵌入式量具坐标之间的空间关系，校准机器和嵌入式量具的各个分量，并且用于将自身对准机器。完整的方法包括以下步骤粗略地对准机器转动轴和它们各自的平动轴，并且为转动轴设置标称零点；将嵌入式量具主机架对准机器轴线；将嵌入式量具的焦点对准到主轴轴线上；如此对准之后，确定转动轴之间的空间偏移；精确地对准机器转动轴和它们各自的平动轴；以及为转动轴设置精确的零点。
文档编号G01B11/27GK101044370SQ200480041546
公开日2007年9月26日 申请日期2004年11月18日 优先权日2003年12月22日
发明者保罗·墨菲, 乔恩·弗里格, 格雷格·福布斯 申请人:Qed国际科技公司