测量探头的校准的制作方法

本发明涉及在例如机床等位置确定设备上使用的探头的校准。

背景技术：

使用探头用于机床上的测量是已知的。所述探头可为接触类型，例如在与待测量工件接触或与待设定工具接触后即刻发出触发信号的接触式触发探头。当触发信号发出时从机床的刻度尺或其它位置变换器取得读数。

可区分两个类型的机床探头：

·一种类型包括用以测量工件的探头，用于在机械加工之前设置工件，或用于在机械加工之后或期间检查工件。举例来说，所述探头可安装在例如铣床或机械加工中心等机床的可移动主轴中(工件感测主轴探头)。通过移动主轴而使所述探头与工件成感测关系。

·另一类型的探头用于设定切割工具(工具设定探头)。举例来说，工具设定探头可安装在铣床或机械加工中心的台上。将安装在可移动主轴中的切割工具设定为与工具设定探头成感测关系。

机床可装配有每种类型的探头中的一个。

两种类型的探头都需要在使用之前校准，以及在使用期间每隔一定间隔的周期性再校准。这可以涉及确定机床的坐标系中的基准位置或偏移。

在现有技术中，已知针对具有已知经预校准的大小、形状、形式等的人工制品来校准探头。这些人工制品包含具有已知半径或直径的事物，例如球体、环形量规或经加工孔；以及具有已知长度的事物，例如经校准长度量棒、滑动量规、已知长度的切割工具等。这些人工制品被安装在机床上的位置中，该位置准许人工制品与正在校准的探头之间相对移动。

举例来说，为了校准安装在机床的可移动主轴中的工件感测探头，现有技术中已知使所述探头变为与相对于机器台固定的经预校准人工制品(例如球体或环量规)成感测关系。这是因为探头将相对于机器台移动，因此其必须相对于机器台而校准。

相反，为了校准工具设定探头，已知以相对于主轴的固定关系在主轴中安装具有已知长度的经预校准人工制品，例如长度量棒或切割工具，因为正相对于主轴的位置校准工具设定探头。经预校准人工制品的长度通常相对于量规线是已知的，所述量规线可例如与主轴的鼻部重合。主轴在Z轴方向上移动以使所述人工制品变为与工具设定探头成感测关系。

接触类型的探头可具有可偏转触针，其具有触针尖端，所述触针尖端接触待测量的工件或者接触待设定的切割工具。触针尖端可呈球或(尤其对于工具设定)圆柱体、圆盘、立方体等形状。除使用如上的经预校准人工制品确定基准位置之外，还已知使用这些经预校准人工制品来校准这些触针尖端的大小(例如，半径或直径)。可供应触针尖端组件到标称大小，且通过机器上校准来确定实际大小。更通常，即使已知准确地供应的实际触针尖端大小，校准也可确定触针尖端的不同于其实际大小的有效大小尺寸(例如，半径或直径)。在接触式触发探针中，有效大小通常小于触针尖端的实际大小，以便校准出探头的所谓的“预行程”。预行程是在与工件或切割工具的实际接触的时刻与探头发出触发信号的时间之间的固定时间延迟期间行进的恒定距离。

据相信，机床制造商哈斯自动化公司(Haas Automation Inc)已经使用一种校准方法，其涉及首先使用经预校准人工制品在Z轴方向上校准工具设定探头，所述人工制品例如安装在主轴中的具有已知长度的长度量棒或切割工具，如上文所描述。这设定了工具设定探头的Z轴基准位置。随后通过使主轴安装的工件测量探头接触抵靠经校准的工具设定探头的触针尖端的顶部来校准所述探头的有效Z轴长度。从工具设定探头的触发信号确定主轴安装的探头的长度。

使用经预校准人工制品的这些已知校准方法是相当复杂的，且可能必须采用谨慎的手动程序，例如使用例如标度盘测试指示器等手动测量工具来设置所述人工制品且确定与主轴等的旋转轴的关系。已知方法因此需要熟练的人员且存在机床不在生产的相当大的时间(例如，30分钟)。出于这些原因，实际上校准并未良好地执行，和/或忽略了以周期性间隔的再校准。这导致不良的测量准确性以及不良质量的加工工件。

技术实现要素：

本发明提供对例如机床等位置确定设备上的探头进行校准或设定基准的各种方法，所述设备包括：第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分相对于彼此可移动；工具设定探头，其可安装在所述第一部分上；以及工件感测探头，其可安装在所述第二部分上。

在根据本发明的第一此类方法中，根据所述工具设定探头与所述工件感测探头之间的相对移动来对所述工具设定探头进行校准或设定基准。所述相对移动使所述工件感测探头变为与所述工具设定探头成感测关系，且当其到达所述感测关系时取得用于所述工具设定探头的校准或基准值。所述工件感测探头的尺寸或大小因此可用以对所述工具设定探头进行校准或设定基准。这可区别于经预校准人工制品的现有技术使用，例如相对于所述第二部分上(例如，主轴上)的量规线具有已知长度的长度量棒或切割工具。所述工件感测探头的尺寸或大小可为任意的。

在此第一方法中，所述探头可为接触探头，例如具有可偏转的工件接触或工具接触触针。所述感测关系可为其之间的接触。所述相对移动可在所述工件感测探头安装到的设备的工具固持器或主轴的轴向方向(或Z轴方向)上。

在根据本发明的第二此类方法中，所述工具设定探头的部分或特征具有经预校准大小或尺寸，且相对于所述经预校准大小或尺寸，例如通过使所述探头变为感测关系的所述探头之间的相对移动来对所述工件感测探头进行校准或设定基准。具有经预校准大小或尺寸的所述部分或特征可在所述工具设定探头的可移动部分上。这可区别于安装在机床的床或台上的经预校准人工制品的现有技术使用，例如具有已知大小的球体或环量规。

在此第二方法中，所述工具设定探头可为接触探针，且具有经预校准大小或尺寸的部分或特征可在所述探头的可偏转触针上。所述工件感测探头也可为接触探针，例如具有可偏转的工件接触触针。所述感测关系可为其之间的接触。所述相对移动可为一个或两个方向，该一个或两个方向与安装有所述工件感测探头的设备的主轴或工具固持器是横向的。

在根据本发明的第三此类方法中，所述工件感测探头和所述工具设定探头中的每一者相对于另一者进行校准或设定基准。所述探头中的一者的部分或特征可具有经预校准大小或尺寸，且另一探头是相对于所述经预校准大小或尺寸，例如通过使所述探头变为感测关系的所述探头之间的相对移动而进行校准或设定基准。具有经预校准大小或尺寸的所述部分或特征可在相应探头的可移动部分上。此第三方法可并入来自第一方法和第二方法中的任一者或两者的进一步优选特征。

本发明还提供经配置以当在机床控制件中运行时执行以上方法中的任一者的软件程序。本发明还提供经配置以执行这些方法的机床和机床控制件。

附图说明

现将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1以图解方式示出机床的操作性部分；

图2到图6说明图1的机床中的探头执行根据本发明的优选方法的步骤；以及

图7是所述优选方法的流程图。

具体实施方式

图1示出机床的操作性部分，包括工件可夹持到的床10以及其中可安装切割工具的可旋转主轴12。主轴12相对于床10在三个轴线维度X、Y、Z上可移动。此移动是由X、Y、Z电机30驱动的，且通过在伺服循环中提供位置反馈的X、Y、Z编码器或刻度尺32(或其它位置变换器)来测量。X、Y、Z移动是由在机床的控制件18中运行的程序来控制的，所述控制件通常也控制主轴12的旋转移动。控制件18可为常规CNC控制器或单独计算机。虽然示出可移动的主轴和固定的床，但作为一个替代方案，该固定的床可被可移动的台代替，从而提供相对于主轴在一个或多个维度中的移动。

工具设定探头14被夹持到床10。其可以用于调整切割工具。主轴探头16被安装在主轴12中，且可通过常规换刀工具(未图示)与切割工具交换。主轴探头16可以用于工件设置和/或用于测量工件。探头14、16通过接口19将信号提供到机床的控制件18。主轴探头16与接口19和控制件18之间的通信可通过无线收发器模块20而提供，例如光学或红外或无线电模块，或通过感应耦合而提供。工具设定探头14在需要时也可通过无线收发器模块与所述控制件通信。

在本实例中，探头两者都是接触类型。主轴探头16具有触针24，其通过弹簧而偏置到探头主体中的静置位置中，且当触针的工件接触尖端28接触工件时抵抗弹簧的力而偏斜。同样，工具设定探头14具有触针22(在此实例中具有曲柄配置)，其偏置到探头14的主体中的静置位置中且当被切割工具接触时偏斜。触针22的工具接触触针尖端26可呈任何常规形式，例如立方体、圆盘、圆柱体或球体。其具有当供应时优选地经鉴定的已知经预校准尺寸。其可能已经在例如坐标测量机等单独测量设备上测量。这与用于此类探头的已知触针尖端相反，该已知触针尖端当供应时可具有规定的标称直径或其它尺寸，但作为机床上的校准过程的部分而确定实际或有效直径(或其它尺寸)。在本实例中，工具设定探头的触针尖端26呈具有已知经鉴定的经预校准直径的精确基底圆盘的形式。

探头14、16是适当的触摸式触发探头，该探头当其可偏转触针接触工件或切割工具或者被工件或切割工具接触时发出触发信号。这致使控制件18在适当时锁存X、Y和/或Z刻度尺32的输出，从而给出指示主轴12和床10的瞬时相对X、Y和/或Z位置的读数。如果需要，替代于接触式触发探针，探头16可为模拟或扫描探针，提供X、Y、Z输出，用于测量触针24由于与工件表面接触所致的偏转量。

在使用之前，需要对探头14、16进行校准或“设定基准”。这是通过使它们针对彼此进行校准而完成的，如图2到图6中以及图7的流程图中所示。

在任选的初步步骤40中，用户例如用直尺来估计或测量从主轴12的前端到主轴探头16的触针尖端28的近似距离。将结果手动地输入到控制件18中，且该结果简单地为用以使控制件能够在Z方向上预定位探头16的正偏移，其中触针尖端28在工具设定探头14的圆盘26上方一个矮的任意距离处。主轴探头触针尖端28在工具设定探头圆盘26上方的确切高度是不重要的，因此无需准确执行此步骤40中的测量。

替代地，在任选的初步步骤40中，用户可估计或测量从机床的床10到主轴探头16的触针尖端28的距离。这被手动地输入到控制件18中，作为用于同一目的的负偏移。

如果已省略以上的预定位步骤40，那么可手动地预定位主轴12，其中主轴探头在圆盘26上方的任意高度处。然而，这可能需要较长时间，因为手动定位并且因为在下一步骤42(如下文所论述的)中主轴可能需要以一个或多个相对慢的馈送速率移动较大距离。

如图2中所示，一旦在圆盘26上方被预定位，控制件18便运行含有如下步骤的软件宏程序。该程序可从例如磁带、CD-ROM光盘或USB记忆棒的任何合适的机器可读存储媒体加载且存储在控制件18中。

在步骤42中，接通工具设定探头14(通过在接口19中另其使能)且从图2中所示的位置在Z方向上向下馈送主轴12，以使得使主轴探头16变为与工具设定探头14的圆盘26接触。当主轴探头16的触针尖端28接触工具设定探头14的圆盘26时，触针22偏斜且工具设定探头14发出触发信号到控制件18。这锁存了Z刻度尺32的Z输出，且阻止Z方向上的移动。来自刻度尺的经锁存Z读数被存储在控制件18中，作为Z轴触发位置(在机床的坐标系中)，用于在测量期间作为基准位置或偏移来随后使用。

在步骤42中的此Z移动应当优选地以这样的馈送速率发生：该馈送速度对应于在正常测量期间随后将使用的馈送速率。这使得有可能校准出所谓的“预行程”(在与圆盘26的实际接触的时刻同Z刻度尺32被锁存的时间之间的固定时间延迟期间，所行进的恒定距离)。如果实际上以多于一个馈送速率做出测量，那么每一馈送速率将涉及不同的预行程的量。因此应当以每一馈送速率重复步骤42，且在控制件18中记录对应的Z轴触发位置。举例来说，可能需要在切割工具旋转时以及在切割工具静止(不旋转)时设定该切割工具的Z长度。通常，当旋转时将使用较低馈送速率，且当不旋转时将使用较高馈送速率。在此情况下，针对两种馈送速率重复步骤42。

以上步骤42为工具设定探头14设定了Z轴基准位置或偏移，将针对此来参考切割工具的Z轴长度的未来测量。已经使用主轴探头16的Z轴长度借助其触针24来设定此基准位置或偏移。正如已经提到的，主轴探头的此Z轴长度是任意的，其无需为已知的。即使其在任选的步骤40中被测量，此测量也可能是极近似且不准确的，因为目的是简单地预定位探头。这与现有技术方法形成对比，其中首先对照长度量棒或切割工具(其被保持在主轴中且相对于主轴上的量规线具有准确已知长度)而对工具设定探头的Z轴高度进行校准或设定基准；且其中随后通过使主轴探头接触抵靠这个经预校准的工具设定探头来校准主轴探头的Z轴长度。在这些现有技术方法中，必须以与后续的工具设定和工件测量的所需准确性相称的准确性，来谨慎地设置具有已知长度的长度量棒或切割工具。

接着，断开工具设定探头14且接通主轴探头16(通过在接口19中禁用一者且使能另一者)。在步骤44中，控制件18经编程以移动主轴12以使得探头16的触针尖端28变为从+X和-X方向(图3和图4)并且还从+Y和-Y方向(未示出)与圆盘26的侧面相接触。在此阶段，圆盘26的精确X-Y位置是未知的，并且因此这些移动并非确切地在圆盘26的X和Y直径上发生。所述移动发生而同时探头16在主轴12中静止(不旋转)。

因此，当主轴探头16的触针尖端28接触工具设定探头14的圆盘26时，触针24偏斜且主轴探头16发出触发信号到控制件18。当接收到触发信号时，在+X、-X、+Y和-Y方向上的四个接触点中的每一者处从X和Y刻度尺32取得读数。此步骤44使控制件18能够更准确地计算圆盘26的X、Y直径的X和Y位置。可随后在圆盘26的X和Y直径上预定位探头16以用于下一步骤46。然而，如果无需此步骤44便可以足够准确性定位探头16，那么可省略此步骤44。

步骤44确定工具设定触针圆盘26相对于主轴探头16的触针球28的X、Y位置。然而，这未必将给出圆盘相对于主轴12的旋转轴的位置，因为探头16可能安装在主轴中而其触针尖端28偏离旋转轴。

因此，在步骤46中，探头16在主轴12中旋转，如图5和图6中的箭头R所指示的。在连续地旋转同时，沿着在步骤44中所确定的直径再次使其变为从+X和-X方向(如所示)并且还从+Y和-Y方向(未示出)与圆盘26接触。控制件18在接收到来自探头16的触发信号时针对每一接触锁存X-Y刻度尺读数。即使探头16安装在主轴12中而其触针尖端28偏离旋转轴，也将馈送速率设定为相对于转速足够低，使得这些X-Y刻度尺读数不受任何此类离轴安装的影响。此步骤因此使控制件18能够确定圆盘26在X-Y平面中相对于主轴12的真实旋转轴的位置。X方向上的圆盘的中心被确定为在+X和-X方向上取得的读数之间的中点。Y方向上的圆盘的中心被确定为在+Y和-Y方向上取得的读数之间的中点。

替代地，步骤46可如下来确定圆盘26相对于主轴12的真实旋转轴的位置。并非连续地旋转主轴探头16而同时使其与圆盘接触，而是在探头12静止(不旋转)的情况下取得+X、-X、+Y和-Y方向上的读数中的每一者。然而，在+X与-X读数之间，探头12旋转经过180°。同样，其也在+Y与-Y读数之间旋转经过180°。如上，控制件18随后使用该读数之间的中点以确定圆盘26在X-Y平面中相对于主轴12的真实旋转轴的真实位置。

如果存在触针尖端28以旋转轴为中心的置信度，那么可在无需主轴旋转的情况下执行此步骤46。然而，具有此置信度将很可能需要手动检查和调整，且避免此情况是有利的。

以上步骤校准工具设定探头14。我们现在有了在空间中具有已知大小和已知位置的人工制品(经预校准的圆盘26)。即，圆盘26的直径从其校准值是已知的，且其在机床的坐标系中的X-Y位置已如上相对于主轴12的旋转轴被确定。主轴12可与工具设定圆盘26的中心对准。当针对工具设定探头14设定切割工具的Z轴长度时，工具设定探头14还具有Z轴基准位置或偏移作为参考。这些值或者从其导出的偏移或基准值(例如，涉及触针圆盘26的周边上的+X、-X、+Y、-Y接触位置)被存储在控制件18中，以当进行后续测量时使用以便设定切割工具。然而应注意，当工具设定探头14被切割工具触发时，其将经历预行程。这可通过对+X、-X、+Y、-Y接触位置加上或减去从经验确定的恒定距离(例如，40μm)来校准出。通过此经验值来适当调整所存储的校准值或偏移。

接着，校准主轴探头16。在步骤48中，在探头16静止(不旋转)的情况下，再次抵靠着工具设定圆盘26从+X和-X方向并且还从+Y和-Y方向接触触针尖端28。此时，不同于图3和图4，主轴12在X和Y轴中与圆盘26的直径对准，如在步骤46中所见。当由于这些接触而使探头16发出触发信号时，分别锁存X和Y刻度尺读数。此步骤的目的是获得测量工件时所使用的触针偏移(通过主轴探头16探测工件而测量它们)，其被存储在控制件18中。这至少部分地校准主轴探头16以用于X-Y测量。

最后，在步骤50中完成主轴探头16的校准。这确定主轴探头16的触针球28的有效半径或直径，和其相对于工具设定探头14的圆盘26的位置。将回想起到，一般来说，在主轴12中安装探头16可以使得触针球28的位置不与主轴12的旋转轴重合。步骤48中的测量在旋转轴(而不是触针球28)与圆盘26对准的情况下发生，这使得不能充分准确地确定触针球28的半径和位置。

因此，在步骤50中，在探头16静止(不旋转)的情况下，再次抵靠着工具设定圆盘26从+X和-X方向并且还从+Y和-Y方向接触触针尖端28。来自主轴探头16的所得触发信号用以如先前那样锁存X、Y刻度尺32。假定控制件18首先取得+X和-X读数，则其随后确定这两个读数之间的中点。这给出在X方向上触针球28相对于工具设定圆盘26的中心。接着，使用此信息，控制件移动主轴12以使触针球28的中心与圆盘26的Y直径对准，且取得+Y和-Y读数。+Y与-Y读数之间的中点同样给出在Y方向上触针球28相对于工具设定圆盘26的中心。此外，通过从+Y与-Y读数之间的差减去圆盘26的已知经预校准直径而计算触针球28的直径。通过将此直径除以二来计算触针球28的有效半径。

步骤48和步骤50中使用的馈送速率应当优选地对应于在工件上的探测测量期间将使用的馈送速率。如关于步骤42所描述的，这校准出预行程(在与圆盘26的实际接触的时刻与锁存X和/或Y刻度尺32的时间之间的固定时间延迟期间，所行进的恒定距离)。控制件18因此考虑该预行程，评估触针球28的所谓“电子”半径或有效半径而不是其物理半径。如果在探测测量期间将使用多于一个馈送速率，那么优选地应当以每一馈送速率重复步骤48和步骤50。

当在X-Y平面中的不同方向(向量角度)上探测时，接触式触发探头通常具有不同的预行程值。因此，如果将使用不同的X-Y探测方向，那么可针对这些方向中的每一者而不是仅针对+X、-X、+Y和-Y方向来重复步骤50。这给出对应于每一方向(每一向量角度)的触针球的“电子”或有效半径。举例来说，控制件可对应于12个向量角度来计算且存储多达12个有效触针半径。

所得到的触针球的半径和位置的值由控制件18中的程序使用以校正工件的后续测量。

所描述的方法可与探头14、16一起使用，探头14、16的触针被偏置到静置位置中且具有固定弹簧率和弹簧预负载(这通过它们的设计或在它们的制造期间来设定)。该方法也可以与可由用户来调整弹簧率或预负载的探头一起使用。探头14、16的有效X-Y轴弹簧率和/或弹簧预负载优选地相对于彼此来设定，以使得在步骤44、46、48和50中，主轴探头16的触针24在工具设定探头14的触针22之前在X-Y方向上偏斜。如果工具设定探头14的触针22被偏置到其静置位置中且具有比主轴探头的触针24显著更大的有效X-Y预负载，则这可以实现这点，以使得在触针24的初始X-Y偏转和主轴探头16的触发期间工具设定触针22被保持在其静置位置中。替代地，探头的相应有效X-Y弹簧率可以使得在主轴探头12触发时工具设定触针22仅偏斜相对较小的量。工具设定触针的此小量的移动可影响在步骤50中对主轴探头触针尖端28的有效半径的确定。然而，这可以通过从触针尖端28的有效半径减去由经验确定的小恒定值(例如，2μm)来补偿。

另一方面，探头14、16的有效Z轴弹簧率和/或预负载优选地相对于彼此而设定，以使得在步骤42中，工具设定探头14的触针22在主轴探头16的触针24之前在Z方向上偏斜。

为了确定在给定方向上的有效弹簧率或预负载，应当根据由触针22、24的长度和配置产生的杠杆作用来考虑实际弹簧率和预负载。

如上文所描述，来自工具设定探头14的触发信号用于Z轴校准。然而，可改为使用来自主轴探头16的触发信号，例如重新布置两个探头的相对弹簧率和预负载。同样，来自工具设定探头14的触发信号可以用于X-Y校准，而不是来自主轴探头16的触发信号。再次，期望的是重新布置探头的相对弹簧率和预负载。

并非如上文所描述接通和断开探头14、16，而是可以一起使能两者，且从首先触发的任一个探头取得触发信号。为了实现此情况，接口19可包括对来自两个探头的输入执行逻辑或(OR)功能的硬件或软件。

可以理解的是，不同于现有技术中的经预校准人工制品，圆盘26相对于机床的床或台10不在固定位置。实际上，其经设计以在正常工具设定操作期间被切割工具接触时在方向X、Y、Z中的任一方向上移动。然而，如上所述来设定探头14、16的弹簧率或预负载，以使得在步骤46、48或50期间圆盘26的任何移动相对于校准的所需准确性都是小的。替代地，如果此移动是显著的，那么可通过对读数减去或加上鉴于经验所确定的恒定补偿值来补偿圆盘的测得的位置。

并非使用工具设定探头14的触针26上的经预校准尺寸，而是有可能使用在具设定探头上在别处提供的经预校准尺寸，例如该探头的外壳的一部分的直径。

除任选的第一步骤40之外，以上方法可在程序控制下自动进行，而不需要熟练技术员的干预。与花费30分钟的现有技术方法相比，这可以在少于两分钟内完成。甚至第一步骤40也是容易的且需要极少技能，因为其是仅以直尺进行的近似测量。所述探头是通过以其中每一者探测另一者来简单地校准。不需要辅助校准人工制品，例如具有已知尺寸的经预校准球体、环量规、长度量棒或工具。也不需要使用例如标度盘测试指示器等手动测量设备来谨慎地确保这些人工制品准确地设置或准确地以主轴的旋转轴为中心。

如上文所描述，在步骤44到步骤50(用于X-Y轴中的校准)之前执行步骤40、42(用于Z轴中的校准)。然而，可同等地在X-Y校准之后执行Z轴校准。也可能在无X-Y校准的情况下执行Z轴校准，或反之亦然。

可修改以上实例以应用于其它机床配置，例如车床。在车床中，探头16可安装在也保持切割工具的可移动转塔中。如果探头16未安装在可旋转主轴中，那么必须在无旋转的情况下执行步骤46。工具设定探头14可安装在固定床上。替代地，该探头可安装在可移动臂上，例如可从本申请人Renishaw plc购得的HP系列的工具设定臂中的一者，这使得能够当需要校准和工具设定时使其移动到操作位置中，且在正常机械加工期间移动开而不挡路。