专利名称：计算机数控机床工作台和相关联探针的自动校准和补偿的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及CNC机床的校准，特别是涉及机床工作台和探针的校准。
背景技术：
计算机数控(CNC)机床常用于制造物品，所述物品需要使用机加工工艺。坐标系用来将CNC机床编程用于机加工工艺，且坐标系的中心与CNC机床工作台的中心点相关联。为了使CNC加工生产率最大化，固定装置可以用于使每个零件与机床工作台对齐。固定装置允许具有不同的定位和夹紧配置的零件在相同的机床工作台中心处被加工。 当固定装置被安装到工作台上，可能不会完美地对齐，例如，由于碎片或其它定位误差。为了防止因妥协的加工零件质量导致的安装误差，固定装置的确切定位可以电子地探查，且结果可被涵盖在机床的操作偏移量(work offset)中。然而，为了获得准确的探查结果，探针必须首先被校准。目前使用着校准探针的几种方法。然而，每一个方法需要有经验的维护人员的工作去执行精确的计算和复杂的过程。由此，使用这些方法的探针校准需要几小时的机床停机时间。
发明内容
一种用于校准CNC机床的方法，包括将量规安装到CNC机床的工作台和对照安装在工作台上的量规校准探针。确定探针和从与CNC机床相关联的坐标系的名义工作台中心位置(position)到实际工作台中心位置的总偏差。操作地连接到CNC机床和探针的控制器被编程，以补偿该总偏差。一种用于对照安装在CNC机床上的量规校准探针的方法，包括用探针关于量规的圆周测量多个点，和采用由探针测得的多个测量值计算量规的中心点。一种对照CNC机床的坐标系校准探针和CNC机床工作台中心的方法，包括用探针在CNC机床的坐标系上测量第一实际量规位置。旋转CNC机床的工作台，测量在第二实际量规位置处的在坐标系上的实际量规位置。探针和实际机床工作台中心到名义机床工作台中心的总偏差使用第一和第二实际量规位置来计算。操作地连接到CNC机床和探针的控制器被编程，以补偿总偏差。本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳实施例和最佳模式的以下详细描述并连同附图显而易见。
图1是CNC机床的一部分的局部示意透视图，该CNC机床具有探针，在CNC机床的工作台上位于第一位置；图2是用于图1的CNC机床的基部固定装置和坐标系的示意俯视图；图3是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出确定与图1的CNC机床一起使用的探针的中心的第一实施例；
图4是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出校准与图1的CNC机床一起使用的探针的侧笔(stylus)的第一实施例；图5是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出校准图1的CNC机床的工作台中心的第一实施例；图6是校准图1的探针和CNC机床的第一方法的示意流程图；图7是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出校准与图1的CNC机床一起使用的探针的直笔的第一实施例；图8是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其进一步示出校准与图1和7的CNC 机床一起使用的探针的直笔的第一实施例；图9是图1的CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出利用经校准的和经补偿的探针和机床工作台中心测量X-位点(location)的第一实施例；图10是图1和9的CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出利用经校准的和经补偿的探针和机床工作台中心测量ζ-位点的第一实施例；及图11是图1和9-10的CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出利用经校准的和经补偿的探针和机床工作台中心测量y_位点的第一实施例。
具体实施例方式参考附图，其中，相同的附图标记贯穿多幅视图表示相同或相似的部件，图1示出四轴线B旋转工作台CNC机床10的一部分的局部视图。CNC机床10具有工作台12。基部固定装置14被安装到工作台12，坐标系16与工作台12和基部固定装置14相关联。图2 示意性地示出基部固定装置14的俯视图，坐标系16显示在其上。参考图1和2，探针18被操作地连接到CNC机床10。探针18具有侧笔22和直笔 20，用于测量与CNC机床10相关联的点位置。探针18可关于心轴线M旋转，从而侧笔22 和直笔20可以位于许多旋转位置，如下面进一步详细描述的。球规M被安装到基部固定装置14，用于校准工作台12和探针18。探针18能够从关于球规M的圆周的各个位点获
得测量值。探针18和工作台12被操作地连接到控制器26，以从探针18和工作台12提供输入。控制器沈还控制CNC机床10，其包括工作台12的旋转位置。在示出的实施例中，CNC 机床10关于B-轴线(在27示出)旋转。CNC机床10的旋转由箭头观表示。将坐标系16定心在名义工作台位置0CQ，ZQ)处，此位置是由用于CNC机床10的控制器沈所记录的中心位置。实际工作台中心(X00, Z00)偏离名义工作台中心(X0, Z0)有距离(ΔΤχ，ΔΤζ)。除了在实际的工作台中心()(。。，Zqq)和名义工作台中心m之间的工作台偏差(ΔΤχ，ΔΤζ)之外，探针18未被校准。由此，由探针18进行的任何测量会从实际的被测量位置偏离(ΔΧ，Δζ)的距离。球规M位于工作台上第一位点(X，ζ)处。第一位点(X，ζ)可以是坐标系16上的任何地方，且球规M不需要在特定位点被放置到工作台12和基部固定装置14。当工作台12和探针18未被校准时，进行的任何测量将包括从名义工作台中心( , )到实际工作台中心OCc^Zcici)的偏差(ΔΤχ，Δ Tz)，以及探针18的偏差(Δχ，Δ ζ)，特别是侧笔22的偏差，其当测量球规M时被示出。除了探针18测量值的工作台偏差(ΔΧ，Δζ)之外，对探针18的校准还可以考虑侧笔22和/或直笔20的挠曲，无论使用哪一个进行测量。参考图3-4，探针18对照球规24被校准。探针18首先使用侧笔22在球规24周围测量多个位点。例如，侧笔22关于球规24的圆周测量四个位点。图3示出探针18在球规24的圆周上、在第一位点处进行测量。关于球规24的圆周进行附加的测量，如由探针在 19和21处表示的，在虚线中示出(关于球规24的多个位点的仅两个被示出)。使用这些圆周测量值，执行了最小二乘法拟合计算，以确定位于在图2中的位置(χ，ζ)处的球规24的中心位点。由此，球规24的中心已被确定，且探针18的侧笔22此时对照球规24被校准。如上所述的，在一些实例中，还可以期望确定侧笔22的挠曲或推/拉偏差。如果这是被期望的，那么探针18在球规24的圆周上测量两个相反的点，如在图4所示的。第一被测位点由探针18示出，及第二被测位点由探针19以虚线示出。将这两个相反的点与相对于如上面确定的球规24的中心的预期测量点比较。在实际和预期测量值之间的均差 (average difference)是探针18的任何推/拉偏差的结果。探针18的推/拉偏差，是由于探针18的侧笔22的挠曲(作为在探针18上的推或拉的结果)而发生的偏差。探针18 的第一挠曲偏差通过将测量值平均来计算。探针18的侧笔22偏差(Δχ，Δ ζ)、和名义对实际工作台中心偏差(ΔΤχ，Δ Tz) 彼此共线性(collinear)。由此，工作台12和探针18的侧笔22的总偏差(ΔΤχ+Δχ， Δ Tz+Δ ζ)必须仍被校准。参考图1、2和5，侧笔22测量球规24的第一位点(χ，ζ)。由于探针18未对照工作台12校准、及在名义工作台中心(Xc^Ztl)和实际工作台中心(Xc ，ZcJ之间的差异，第一被测量球规24位置实际是(X1, Z1)。其中第一被测量χ-位点(X1)等于球规24的实际χ-位置(χ)加上工作台中心的χ-偏差(ΔΤχ)、加上探针18的侧笔22的χ-偏差(Δχ)。同样地，第一被测量ζ-位点(Z1)等于球规24的实际ζ-位置(ζ)、加上工作台中心的ζ-偏差 (Δ Tz)、加上探针18的ζ-偏差(Δζ)。第一球规位置(X1, Z1)在关于工作台轴线27的第一旋转位置B1处(在图5中示出)被测量。这由下面的公式表示X1 = χ+Δ Tx+Δ χ ；及Z1 = ζ+Δ Tz+Δ ζ。工作台14可以于是关于B-轴线27旋转，从而球规24处于第二位置Β2。在示出的实施例中，第二工作台12旋转位置从原始的工作台12旋转位置转过B角度。当工作台 12和基部固定装置14被旋转时，坐标系16不旋转。基部固定装置14的第二工作台位置B2 在图2中以虚线在15处示出。球规24关于实际的工作台中心(Xc ，ZcJ旋转，而不是关于名义工作台中心(Xc^Zci)旋转。由此，在工作台12和基部固定装置14已旋转之后，球规24 此时在第二工作台位置B2处相对于原始坐标系16位于点(ΧΧ，ζζ)处。工作台的旋转位置的差值B为B = B2-B115测量可以在第一旋转位置B1关于B-轴线27为O旋转角度及第二旋转位置B2关于B-轴线27为90旋转角度的情况下进行。然而，当关于B-轴线27在O-度旋转位置时， 探针18可能不能到达球规24。由此，可使用球规24的任何两个旋转位置BpB215这两个位置应该相距大约90-度，从而计算的总偏差(ΔΤχ+Δχ，Δ Tz+Δ ζ)对χ和ζ方向两者将具有相似的精度分布。此外，下面的总偏差(ΔΤχ+Δχ，Δ Tz+Δ ζ)方程针对使用球规24的仅两个旋转位置ΒρΒ2。然而，下面描述的总偏差(ΔΤχ+Δχ，Δ Tz+Δ ζ)方程可以被调整，以采用在多于两个球规M位置处进行的测量。本领域技术人员将能够修改方程，以使用多于两个被测位点计算总偏差(Δ Tx+ Δ χ，Δ Tz+ Δ ζ)。实际的第二球位置(xx，ζζ)由探针18测量，特别由侧笔22测量(在图5中以虚线在19处示出)。如以前，被测量的第二球位点( , 包括探针18的偏差(Δ X，Δ Z)。由此， 对于工作台18的两个位置，球规M的位置是已知的。有了对于球规M的两个已知位置， 于是可以解出在已知位置和名义工作台中心( , )之间的总偏差(ΔΤχ+Δχ，ΔΤζ+Δζ)。 这由下面的公式表示，其中B = B2-B1
权利要求
1.一种用于校准CNC机床的方法，包括 将量规安装到CNC机床的工作台；对照安装在工作台上的量规校准探针；确定探针和从与CNC机床相关联的坐标系的名义工作台中心位置到实际工作台中心位置的总偏差；及将操作地连接到CNC机床和探针的控制器编程，以补偿总偏差。
2.如权利要求1所述的方法，其中，校准探针包括 用探针关于量规的周边测量多个点；及采用由探针测量的多个点计算量规的中心点。
3.如权利要求2所述的方法，还包括用探针在量规的周边上测量两个相反的点，其中，相反的点中的每一个用探针的相应的相对的侧测量；和基于经测量的两个相反的点，计算探针的第一挠曲偏差，以用量规校准探针。
4.如权利要求2所述的方法，其中，校准探针还包括当探针的侧笔关于心轴线被定位在第一方位时，用探针的直笔测量特征部件的y-位占.当探针的侧笔关于心轴线被定位在第二方位时，用探针的直笔测量特征部件的y-位点，所述第二方位与第一方位相距180度；及通过平均第一和第二测量值，计算特征部件的实际y_位点。
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定探针和实际工作台中心位置的总偏差还包括 用探针测量在坐标系上的第一实际量规位置；旋转工作台和用探针测量在坐标系上的第二实际量规位置；使用第一实际量规位置和第二实际量规位置计算探针和实际机床工作台中心的总偏差的偏移量；及用经计算的总偏差将用于CNC机床的控制器编程，以校准探针和机床工作台中心，用于将来的计算。
6.如权利要求1所述的方法，还包括用探针的侧笔进行量规的测量。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述量规是球规。
8.一种用于对照安装在CNC机床上的量规校准探针的方法，包括 用探针关于量规的周边测量多个点；及采用由探针测量的多个点计算量规的中心点。
9.如权利要求8所述的方法，还包括用探针在量规的周边上测量两个相反的点，其中，相反的点中的每一个用探针的相应的相对侧测量；和基于经测量的两个相反的点计算探针的第一挠曲偏差，以用量规校准探针。
10.如权利要求9所述的方法，还包括当探针的侧笔相对于向下位置定位在关于心轴线的90度方位时，用探针的直笔测量量规位点；当探针的侧笔相对于向下位置定位在关于心轴线的270度方位时，用探针的直笔测量量规位点 ’及使用用探针的直笔进行的第一和第二测量值，计算探针的直笔的第二挠曲偏差。
全文摘要
本发明涉及计算机数控机床工作台和相关联探针的自动校准和补偿。提供了一种用于校准CNC机床的方法，包括将量规安装到CNC机床的工作台和对照安装在CNC机床上的量规校准探针。探针和从与CNC机床相关联的坐标系的名义工作台中心位置到实际工作台中心位置的总偏差被确定。一种可操作地连接到CNC机床和探针的控制器被编程，以补偿总偏差。
文档编号G05B19/19GK102478815SQ20111037289
公开日2012年5月30日 申请日期2011年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者J.S.阿加皮奥, J.古, P.J.迪兹, S.K.科金 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司