專利名稱：用于校準多軸計量系統(tǒng)的幾何形狀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于表面和波陣面計量的方法和裝置；更具體，涉及用于測量相對于機器運動軸和測量設(shè)備的表面位置的方法；最具體地，涉及用于集成計量系統(tǒng)的幾何形狀校準的方法，其中所述計量系統(tǒng)包括多軸CNC機械定位裝置和嵌入式波陣面測量量具。
背景技術(shù)：
在單點掃描測量系統(tǒng)的應用和加工中，實現(xiàn)精確定位是極為重要的。敏感方向上的定位誤差轉(zhuǎn)換為一對一的切削/測量誤差。結(jié)果，人們將大量的努力投入到精確定位系統(tǒng)的制造、用于測量該精確度的方法、以及用于補償諸如軸線不垂直等運動偏離的裝置。這些方法可以包括位于外部計量框架上的激光位置測量裝備。利用這種方法可以實現(xiàn)微米水平或更高的定位精度。從機器設(shè)計方面、以及計量裝備的成本方面來說，這些方法可能會非常昂貴。為了獲得最好的效果，這些方法還經(jīng)常要求高水平的環(huán)境控制。此外，這些方法通常僅被用在平移運動(X-Y-Z)上。如果在這樣的機器中使用主軸，則主軸通常被用于高速轉(zhuǎn)動切削刀具， 或者相對于切削刀具轉(zhuǎn)動零件。掃描測量工具，比如輪廓儀和坐標測量機(CMMs)等，很少具有轉(zhuǎn)動軸。這些工具通常用于近似旋轉(zhuǎn)對稱表面的方位角掃描。然而，波陣面測量量具(比如斐索干涉儀或Hartmarm-Shack波陣面?zhèn)鞲衅?以與機械刀具和掃描測量裝置不同的方式工作。這種量具在表面一通常整個測試表面一上采集多個測量點，這與沿著測試表面掃描的單個定位點有所不同。結(jié)果，在波陣面測量量具中所需要的零件定位和工作臺對準條件是相當?shù)卮植?。波陣面測量量具的縱向測量范圍通常比仿形設(shè)備的小。結(jié)果，零件的定位必須比仿形機的定位要更精確，并且經(jīng)常需要仿形機所沒有的傾斜動作。然而，由于波陣面測量設(shè)備提供關(guān)于零件相對于量具的位置的自反饋，因此運動的精確性并不重要。而且，相比于仿形機而言，波陣面測量量具的數(shù)據(jù)獲取時間要短若干秒，或短幾分鐘或更長時間。對于波陣面測量量具而言，零件和測量量具的長時間的絕對穩(wěn)定性變得不再那么重要。另外的關(guān)鍵差別是仿形機在測量時需要動作?？偠灾?，仿形機和高精度CNC加工中心通常需要在三個平動軸上的高精度的動態(tài)運動。波陣面測量量具通常需要對零件傾斜定位，但是缺少高的精度和動態(tài)條件。在包括波陣面測量量具和機械定位裝置(盡管對于一般用途不是必需的)的計量系統(tǒng)中的精確定位，具有幾個用途。有些實例包括校準方法，其采用多個零件動作，測量相對于波陣面測量量具傾斜一定角度的零件或系統(tǒng)，以及在測試表面上不同位置進行的多次測量的子開孔縫合。這一應用比常用系統(tǒng)需要更精確的動作。現(xiàn)有技術(shù)中已知的是，用于仿形機和高精度機加工的方法是利用指示器量具、激光位移量具以及其他類似裝置來對準和校準移動的平動軸線。但是該校準是非常昂貴和花費時間的，因此并不能容易地應用于波陣面測量計量系統(tǒng)所必需的旋轉(zhuǎn)軸上。此外，這種方法對于嵌入式量具相對于機械軸和工作臺、特別是旋轉(zhuǎn)軸的對中沒有公開任何內(nèi)容。已知的是，通過手動對準或填隙來測量零件楔角/錐度和對中，或相對于主軸軸線消除它們，但是這需要另外的裝備和/或冗長的步驟。所需要的是一種用于集成計量系統(tǒng)的幾何形狀的校準的方法，該方法利用被嵌入整個系統(tǒng)中的波陣面測量量具。還需要的是用于將特定的零件表面坐標定位到特定的嵌入式量具坐標上的方法。還需要的是用于測量安裝好的零件相對于主軸軸線的楔角和/或偏心性的方法。本發(fā)明的主要目的是測量在整個計量系統(tǒng)內(nèi)的波陣面測量量具、測試零件表面、 以及機械軸線之間的幾何關(guān)系，以便獲得對于波陣面測量所必須的精度。本發(fā)明的另一目的是在準備移動測試零件表面時校準和對準計量系統(tǒng)，從而使得特定的零件表面坐標定位在特定的嵌入式量具坐標上，而不需要任何另外的昂貴計量設(shè)備、嵌入式計量系統(tǒng)或耗費時間的對準。本發(fā)明的又一目的是測量零件相對于主軸軸線的楔角和/或偏心性，進一步精確地對中零件。

發(fā)明內(nèi)容
簡單地說，本發(fā)明提供一種用于校準和對準計量系統(tǒng)的方法，其中所述系統(tǒng)包括具有多軸零件定位裝置和嵌入式波陣面測量量具的機器。在精確地確定平移和轉(zhuǎn)動軸線的空間關(guān)系、零件表面坐標和機器坐標之間的空間關(guān)系、機器坐標和嵌入式量具坐標之間的空間關(guān)系時，在校準機器和嵌入式量具的各個部件時，以及在對準量具和機器時，該量具是整體元件。這種整體對準在利用多個重疊的子開孔測量的數(shù)學縫合確定測試零件的超開孔表面特征的過程中是有用的。在最寬泛的形式下，該方法包括使用嵌在多軸零件定位機器中的波陣面測量量具，其中所述機器位于集成計量系統(tǒng)內(nèi)，以便直接幫助校準和對準機器的部件、量具、測試表面及其各種組合。組合的量具和機器的重要應用是在主軸軸線對準步驟中，在此稱之為“零件安裝”("part-on-mount")步驟，其中測試零件被安裝在機器主軸上的工作臺或卡盤上，并且在主軸上且在量具波陣面中轉(zhuǎn)動，以便產(chǎn)生多個X和Y測量值。對這些測量值進行處理，以便確定主軸、零件表面和嵌入式量具的幾何相對關(guān)系。當在量具內(nèi)采用球面光學，例如用于測量球形測試表面時，主軸軸線與量具聚焦點(量具焦點)相對準。當在量具內(nèi)采用平面光學時，主軸軸線與量具波陣面的傳播方向相對準。用于校準和對準計量系統(tǒng)的所有部件的完整方法包括下述步驟a)粗略地使機器旋轉(zhuǎn)軸與它們的各個平動軸對準，并且為轉(zhuǎn)動軸設(shè)置標稱零點；b)將嵌入式量具主機架對準機器軸線；c)將嵌入式量具焦點定位在A旋轉(zhuǎn)軸(主軸)上(為進行準直測試而平行于主軸軸線；注意只要聚焦元件改變，就應該重復該步驟)；d)當對準時，確定旋轉(zhuǎn)軸之間的空間偏移，以及電機步進尺寸(如果還沒有精確知道的話)；e)精確地對準機器旋轉(zhuǎn)軸及其各自的平動軸，并且利用嵌入式量具為旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置精確的零點。


通過結(jié)合附圖閱讀以下的說明書，將更加明顯可見本發(fā)明的前述以及其他目的、 特征和優(yōu)點，及其目前優(yōu)選的實施例，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的多軸計量系統(tǒng)的立體圖；圖加是圖1所示設(shè)備所實施的三個旋轉(zhuǎn)軸和三個平動軸的立體簡圖；圖2b是圖加所示旋轉(zhuǎn)軸之間的偏移的立體簡圖；圖3是表示各種球面測試零件(圖3a_3c)的共焦/零定位的示意圖，其中測試零件被定位成測試表面的標稱曲率中心與嵌入式量具顯現(xiàn)的球面波陣面的中心接近匹配；圖4是表示各種平面測試零件(圖在嵌入式量具發(fā)出的準直光場中的定位的示意圖，其中測試零件被定位成零件表面法線平行于光場的傳播方向；圖5a4b是表示根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)的可堆疊元件的示意圖，包括5a)設(shè)置在嵌入式量具內(nèi)的球面量具聚焦元件(例如在嵌入式量具是斐索干涉儀的情況下的傳動球)；5b)固定在圍繞軸線B可轉(zhuǎn)動的工作臺上的主軸軸線A ;5c)設(shè)置在嵌入式量具內(nèi)的傳動平板；5d)設(shè)置在底座上的任意位置處的球面測試零件；以及5e)具有楔角并且設(shè)置在底座上的平面測試零件；圖6a是表示圖5d的球面測試零件和底座的示意圖，該零件和底座被設(shè)置在主軸軸線A上，以便圍繞圖恥所示軸線B轉(zhuǎn)動；該組件被設(shè)置在如圖如所示的用于測量球面零件的嵌入式量具的測量范圍內(nèi)；圖6b是表示圖k的平面測試零件和底座的示意圖，該零件和底座被設(shè)置在主軸軸線A上以便圍繞圖恥所示的軸線B轉(zhuǎn)動；該組件被設(shè)置在如圖5c所示的用于發(fā)射準直光場的嵌入式量具的測量范圍內(nèi)；圖7是表示用于確定零件的標稱曲率中心、主軸軸線A以及量具焦點之間的距離的方法(或者在平面測試零件的情況下，主軸軸線、零件表面法線以及量具法線之間的角度)的示意圖；圖和8b表示具有標稱曲率半徑Rl的樣品凸面零件(圖8a)，以及具有標稱曲率半徑R2的樣品凹面零件(圖8b)，用于表示對準誤差；以及圖8c是表示對于圖8a和圖8b所示樣品零件的情況，軸線A沒有對準軸線Z所引起的對準誤差的示意圖。
具體實施例方式參照圖1和圖2，根據(jù)本發(fā)明的計量系統(tǒng)10包括被安裝(或嵌入)到多軸機器14 的波陣面量具12，例如干涉儀，其中所述多軸機器14確定了工作站，該工作站具有用于在測量零件過程中接收和移動測試零件20的工作臺18。機器運動的構(gòu)造如圖加所示，其中具有六個機械軸線，三個是平動軸(X，Y，ζ)，三個是轉(zhuǎn)動軸(A，B, C)。應該理解到，軸線的其他構(gòu)造(包括不同數(shù)量和/或次序的軸線)也可能在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這六個軸線中的每一個上的運動可以例如通過致動器16(比如具有傳統(tǒng)的安裝和傳動裝置的步進電機組件)被獨立地控制。所有的機械軸都可以受自動控制或手動控制?？刂频念愋筒⒉皇窃撨^程的必要部分。機械軸線應該定位測試零件，從而使得嵌入式量具波陣面標稱地與非平面檢測零件表面的任意截面的曲率中心一致(或者在標稱平面零件的情況下，量具波陣面的傳播方向；34標稱地平行于測試表面法線38)。本文稱此為表面共焦和/或零位，如圖3 所示，并且會在下文進一步討論(圖4用于表示標稱平面測試零件)。在根據(jù)本發(fā)明的計量系統(tǒng)的該優(yōu)選實施例中，用于接收測試零件20的卡盤或工作臺18確定了基本與軸線A正交的工作站表面。嵌入式量具12被安裝成沿著X和Y軸平動。為了以下討論的目的，假設(shè)X，Y和Z軸移動互相正交；B軸平行于Y向平動；B和C 軸正交；并且A和C軸正交。對于高質(zhì)量機器平臺而言，比如CNC機器中所使用的，這些假設(shè)在對微米范圍的表面拓撲所必須的誤差范圍內(nèi)是正當?shù)?。此外，在此所用的慣例是，如果 B = 0并且C = 0，則A軸的指向沿著Z軸。在B和C的任意其他位置時(當然除了其旋轉(zhuǎn) 180°之外)，Z軸不平行于A軸。下文中將會介紹精確地對準A和Z軸的方法。但是對于如所提供的大多數(shù)的這種多軸機器而言，旋轉(zhuǎn)軸線相對于彼此的位置以及相對于平動軸線的位置并非必須精確到足以與嵌入式測量量具一同進行測量，B和C的位置也不是必須使A平行于Z。此外，對于計量儀器10而言，嵌入式量具12應該被對準成為大致平行于工作站Z軸。最后，安裝載工作臺18上的測試零件20在空間中的位置應該具備與工作站軸線和嵌入式量具有關(guān)的特征。在應用該裝置的過程中，軸線、量具、被測試零件之間的空間關(guān)系應該被設(shè)計測試零件動作時的數(shù)學特征量化，并且被修正或者被推測到并且得到補償。本發(fā)明的一個重要方面是，為了獲得對足夠精確的零件定位的高度對準和/或補償，在以下公開的方法中，將所采用的嵌入式量具12與機器14的機械軸線相結(jié)合。參照圖3至7，根據(jù)本發(fā)明的方法的要點是確定安裝在工作臺上的測試零件20 (參見圖1)相對于A軸以及相對于嵌入式量具12(和/或量具元件觀或32)的位置，該方法要素被稱為“零件安裝”步驟。該測試零件可以具有標稱平坦表面，比如零件35的表面33， 或者可以具有呈楔形的標稱平坦表面，比如零件37，或者具有標稱球形表面，比如零件42 的凸起表面40或分別位于零件44a、44b上的凹陷表面46a、46b(圖3a_3c以及圖8a-8c)。 (需要注意的是，非球面表面可以是覆蓋足夠小的孔的標稱球面。)該方法包括下述步驟a)在分別如圖6a (球面)和6b (平面)所示的嵌入式量具12的波測量場50a (球面)50b (準直的)中，使零件及其底座(如圖5d所示針對球面零件，或者如圖^3所示針對平面零件)與主軸/A軸工作臺(如圖恥所示)相匹配(通常，零件被預先固定到底座48 上，以便隨后安裝到工作臺或卡盤上)；b)獲取在不同主軸(A軸)旋轉(zhuǎn)位置(至少2個)處的一系列零件測量值；c)提取每個測量值的傾斜分量，以便獲得多個數(shù)據(jù)點22，如圖7所示；d)為傾斜和主軸位置數(shù)據(jù)擬合(fit)圓；以及
e)根據(jù)所擬合圓的圓心向量60和半徑向量沈確定量具到主軸以及主軸到零件的不重合度。對于零件測量而言，僅需要在每個A軸位置處的傾斜值。通過對嵌入式量具測量數(shù)據(jù)進行平面擬合(并且記錄擬合系數(shù))可以獲得這些傾斜值，或者通過反復的再定位軸線并且重新測量波陣面，直至嵌入式量具在特定的A位置測量到可忽略的傾斜量(記錄該最終軸線位置)而獲得這些傾斜值。在A軸(主軸)的兩個(或多個)不同位置處獲得測量結(jié)果之后，可以計算零件相對于嵌入式量具和主軸的位置。如圖7所示，為坐標三點22 (A、X傾斜、Y傾斜)的校正而擬合圓(在X傾斜/Y傾斜坐標平面內(nèi))。(在此示出了三點的情況，但是應該認識到，在圖7中實際上只繪出了 X和Y傾斜)。擬合參數(shù)包括圓的圓心和半徑坐標。圓心M，當相對于量具坐標原點62表示該圓心時，其成為向量60，該圓心代表量具到主軸的未對準度。 圓的半徑，向量26，代表主軸到零件的未對準度(請注意，可以畫出無窮個半徑向量；所選的這個向量對應于軸線A的一個特定位置)。對于球面零件而言，向量60(圖7中)對應于圖6a中的量具焦點36和主軸軸線 A之間的位移。(注意，在2D平面視圖中不能精確地繪出2D位移，圖6a中所示出的距離是向量60的χ分量)。或者，可以通過除以測試表面的曲率半徑R1、并隨后采用反正切而表示成未對準角。向量26指示從測試表面曲率中心61到主軸軸線A的距離，可以以類似的方式將其表示成角度。對于平面零件而言(在準直波陣面測試中)，在圖6b中，向量60對應于角坐標(而不是橫線坐標)中的位移，其指示準直波陣面法線68和主軸軸線A之間的角度。向量沈指示測試表面法線38和主軸軸線A之間的角度?；蛘撸绻僭O(shè)量具未對準度為零或者為其他已知數(shù)值，則僅需要一個測量值來估算零件一主軸的未對準度。從假設(shè)的量具未對準值(假設(shè)未對準度為零時的軸線原點) 到單個被測點繪出了圖7所示的半徑向量沈，該向量沈因此等于在特定的A軸位置處測得的傾斜值減去量具未對準度的假設(shè)值。本質(zhì)上，估算半徑向量26的準確度受到估算主軸到量具未對準度(半徑向量60)的準確度的限制。盡管不如上述的多次轉(zhuǎn)動法精確，但是該方法對于提供對未對準度的初始估算還是非常有用的，該估算可以通過其他方法獲得細化。當由零件到主軸的未對準度所產(chǎn)生的傾斜與嵌入式量具的傾斜測量能力范圍相比較大時，這一點特別合適。這種情況下，初始估算允許通過額外的動作(根據(jù)零件-主軸未對準度的初始估算)增加“零件安裝(part-on-moimt)”所需的轉(zhuǎn)動，由此顯著地增加量具獲取有效傾斜測量值的能力。用于校準根據(jù)本發(fā)明的多軸計量系統(tǒng)的幾何形狀的整個方法的第一步是以下述的已知方式，通過設(shè)置B和C軸的原點而粗略地對準A使其平行于Z a)將刀具插頭(未示出)安裝到主軸A中，并且離開旋轉(zhuǎn)范圍以及Z軸安裝指示器(從而移動Z軸引起刀具插頭相對于指示器移動)。理想地，該插頭的指向應該完全沿著A軸，但是在實踐中由于該插頭和/或主軸并不是完美的，因此轉(zhuǎn)動A以便在TL平面內(nèi)定向為具有最大插頭偏轉(zhuǎn)(相對于A)。b)調(diào)整指示器，使其測量插頭的X位移。c)慢進給Z并且調(diào)整B，直至沿著插頭的指示出的總偏轉(zhuǎn)在Z向被最小化，借此找到B的原點。d)通過轉(zhuǎn)動A軸90°對Y軸重復以上步驟，從而在)(Z平面內(nèi)定向成最大插頭偏轉(zhuǎn)。重新定向該指示器，以便測量Y的位移。e)通過再次慢進給Z并且調(diào)整C，直至沿Z軸的指示出的總偏轉(zhuǎn)被最小化?，F(xiàn)在已經(jīng)確定了 B和C的旋轉(zhuǎn)原點，并且已將其歸零(B = 0，C = 0)，并且A軸已經(jīng)在機械裝置的限制范圍中大致平行于Z軸。根據(jù)本發(fā)明，如后面步驟所介紹，利用嵌入式量具12可以實現(xiàn)更精確的對準。第二步驟是使嵌入式量具主機架粗略地對準機械定位系統(tǒng)，具體如下所述a)在機器平臺14上安裝量具12，不帶有聚焦元件觀，從而使得具有內(nèi)部光學軸線 31的波陣面30從量具中發(fā)射出。事先應該對旋轉(zhuǎn)軸線進行校準(對B和C的位置進行設(shè)定，從而使得A軸近似平行于Z軸)。b)在A軸主軸工作臺18上安裝光學平板(比如零件35)作為測試零件，并且進入對嵌入式量具(如果存在的話)“粗略對準”模式。執(zhí)行上述的“零件安裝(part-on-moimt)，， 步驟，以便確定量具對A軸的未對準度。對于該操作而言，“零件安裝(part-on-moimt) ”步驟可以被修改，從而使得測量以及A軸運動可以由操作者實時執(zhí)行(“目測”，采用量具的粗略對準模式)，而不是以離散的移動/獲知步驟執(zhí)行。c)翻倒和/或傾斜嵌入式量具的安裝支架，以便消除量具未對準項，借此使圓形圖像(此處未示出，但是出現(xiàn)在量具控制屏或標線上)定心在嵌入式量具的光學軸線上。嵌入式量具主機架被粗略地與工作站相對準。應該指出的是，如果粗略的機器旋轉(zhuǎn)原點在隨后丟失(在步驟1中獲取之后)，操作者可以執(zhí)行稍加改動的步驟2，而不是重復步驟1和2。當最小化量具未對準度時(在該情況下其確實為“原點未對準”)，可以只調(diào)整B和C，而不是翻倒或傾斜量具安裝支架(如在步驟2中)。這樣可以找回粗略的機器旋轉(zhuǎn)原點，并且量具主機架仍然與工作站對準。第三步驟是通過相對于干涉儀主機架對準量具、并獲得機器的X和Y位置來精確地對準嵌入式量具的聚焦元件觀和工作站的，這使得焦點位于A軸上。a)將所需的聚焦元件觀安裝到嵌入式量具主機架上。b)將聚焦元件對準內(nèi)部量具光學軸線31。(請注意，軸線31實際上位于圖3和圖 4中的傳動元件的后方。例如，如果前述的對準步驟沒有進行，外部軸線34會相對于內(nèi)部量具軸線31彎曲。)例如，當量具是斐索干涉儀時，該聚焦元件是傳動球體(transmission sphere)，并且對準步驟如下i)進入對干涉儀的“對準”模式。請注意，反射在干涉儀標線上的對準點。禾Ij用對傳動球的翻倒-傾斜控制將該對準點目測地定心在標線上。隨后，精確對準干涉儀光學軸線和工作站A軸。ii)將光學平板36 (優(yōu)選為厚度已知)安裝在工作站主軸(A軸)工作臺上。慢速進給工作站Z軸，直至出現(xiàn)干涉儀貓眼圖案，隨后利用傳動球翻倒/傾斜控制消除該貓眼條紋。記錄工作站在此位置時的Z軸位置，這是聚焦元件的焦點在機器的Z坐標框架內(nèi)的真實Z軸位置，隨后減去光學平板的厚度。iii)拆除光學平板36。c)通過將測試球(或其他標稱無楔面測試零件，盡管原則上可以容許較大的楔面和/或偏心)安裝到工作站主軸工作臺上來將A軸定位到嵌入式量具光學軸線上，并且執(zhí)行“零件安裝(part-on-moimt) ”步驟，以便相對于量具(例如，圖7所示的半徑向量60)定位A軸位置。d)相對于嵌入式量具僅以平移運動來移動工作臺(以及零件)，即沿著X、Y和Z 軸移動，從而使得量具焦點與A軸重合。記錄X和Y位置；這是量具焦點36的法線位置，其與A軸相交。在需要準直測試的情況下，采用平面元件32 (而不是聚焦元件28)，并且對準步驟稍有不同。在干涉儀中安裝傳動平板32。進入“對準”模式，并且利用傳動元件的翻倒/傾斜調(diào)整來將對準點定心到量具標線上。把測試平板35 (該測試平板帶有的開孔小于傳動平板開孔)安裝到工作站主軸工作臺18上。執(zhí)行稍加改動的“零件安裝(part-on-moimt) ”程序在每個新的A軸位置，除了傾斜數(shù)據(jù)之外，還要提取并記錄零件在量具坐標系內(nèi)的X-Y 坐標(例如有效測量數(shù)據(jù)的質(zhì)心)。按照對“零件安裝(part-on-moimt)”的標準處理傾斜數(shù)據(jù)；這樣獲得改動后的旋轉(zhuǎn)原點(針對平板活動)。與圖7相類似地處理質(zhì)心數(shù)據(jù)，其關(guān)鍵的差別在于圖7的軸線不再傾斜/偏心，而是所提取的在每個A軸位置處的測量值的X-Y 坐標。將數(shù)據(jù)擬合為圓并且記錄該圓的圓心。該圓的圓心是在嵌入式量具坐標系內(nèi)的A軸位置(旋轉(zhuǎn)中心)。第四步是通過確定A、B和C軸之間的空間關(guān)系(參見圖1)、電機16步幅的標度、 以及量具焦點相對于機器的位置(見圖4)來校準CNC機器的幾何形狀。這些常數(shù)隨后可以被編程寫入CNC控制器。注意，所有的這些值能夠由該步驟算得，但不是必須由該步驟算得。例如，電極步幅標度通?？梢酝ㄟ^其他方法更精確地獲得，并且具有相對較小轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)軸可以(例如，如果C軸僅有幾度的活動范圍)不需要如此精確的校準(精確程度較低的方法將會足夠)。此外，一旦計算出這些數(shù)值，則不再需要對它們進行再次校準(除非該機器發(fā)生某些劇烈情況)。參照圖加和2b，校準的機器常數(shù)包括a)步進電機的步幅的物理尺寸(δ χ，δγ, δ z mm/步)，其中χ = ξ δ χ ;Υ = η δΥ;Ζ= ζ δ ζ，并且其中ξ，II，ζ是以電機步幅為單位的軸線位置。b)在B禾口 C之間沿Z方向(zc)的偏移；C)在A和C之間沿X方向(xb)的偏移
d)在A和C之間沿Y方向(yc)的偏移，當C的運動受到限制時，后者并非是必須的；以及e)從B到主軸表面的距離，該值可以從B到零件曲率中心的距離(zF)推導出(見圖6a)(不適用于平坦測試零件)，并且需要獲知該零件如何安裝在主軸上。為了通過確定A、B和C軸之間的空間間隔(參見圖1、加和2b)來校準CNC機器的幾何形狀，a)將高數(shù)值孔徑、低楔角的零件裝入主軸(即球)。b)移動X和Y，使得A軸通過量具焦點36。c)沿著χ軸定向零件中的任意楔面(轉(zhuǎn)動A軸直至條紋垂直)。d)利用X、Y、Z (B和C都應該為0)找到共焦位置(如圖3所示)。e)對幾個位置重復下述步驟
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i)轉(zhuǎn)動B軸到新的角度值(例如，大約增加5度)；ii)僅利用X和Z尋找干涉零點；iii)應該指出的是，零點所需的任意Y向調(diào)整，其指示B并不垂直于X-Z平面；iv)記錄X、Z、B的位置。f)將下述表達式最小化(例如通過最小二乘法擬合)該表達式假設(shè)在(n+1)位置獲得零點，并且擬合參數(shù)為P(零件偏心)、Q(xb/Sx)、 R(zF/Sx)、S(SZ/SX)。對于其他轉(zhuǎn)動軸和平動軸之間的關(guān)系(例如，可以通過C、Y和Z 的動作以及類似的最小化表達式獲得yc)，可以直接修改步驟e)和f)。參照圖8，第五步驟是通過利用嵌入式量具，而不僅僅利用機械裝置來獲取A和Z 軸的更精確的對準。該步驟需要沿著Z軸在工作臺18的2個或更多個不同位置處的共焦點處進行測量，優(yōu)選使用同一聚焦元件觀。例如，可以使用兩個或更多個具有不同曲率半徑的球面測試零件，比如零件42和46來實現(xiàn)上述的測量。原則上，相同的零件可以與不同長度的底座一同使用，但是為了使A-Z角度測量的精度最高，需要在不同的共焦點測量的Z位置之間具有較大的差距?？梢允褂酶郊拥牧慵⒁约白钚《朔〝M合，以便獲得對A-Z未對準角度值的不確定性的估算。a)首先，選擇傳統(tǒng)的聚焦元件觀(能夠測量現(xiàn)有的測試零件)。b)隨后對每個測試零件順序執(zhí)行“零件安裝(part-on-moimt) ”步驟，對每個零件記錄橫向量具未對準度項(在xy坐標系中從A軸到量具焦點的位移60)。圖8c表示出 A-Z未對準角70是如何在不同的Z值處引起明顯不同的主軸到量具的未對準度。圖8c示出了在系統(tǒng)的X和Y已經(jīng)被調(diào)整成沒有主軸-量具未對準度(特別是對于Z、A-Z未對準角以及固定裝置的情況)的情況下，零件46上的凹陷表面44。也就是說，主軸軸線A與量具焦點36相交。然而，當為了測試零件42上的凸起表面44而向上移動(沿著Z軸)工作臺時(保持相對的X和Y位置固定)，主軸-量具未對準量70被示出在該新的Z軸位置產(chǎn)生了明顯的未對準度，如圖8c中心的箭頭72所示。應該指出的是，所引起的量具到主軸誤差量等于未對準角的正切乘以在兩次測量之間沿Z軸的差值。為簡單起見，零件42和46的零件到主軸的未對準量在圖中被表示為零，并且僅在X方向示出了誤差(平面圖)，但這些并不是該過程的必要特征。c)對每個尺寸相對于Z軸位置(即X對Z，Y對Z)的未對準量進行線性擬合；該線的斜率度是A-Z未對準角70的正切。d)借助該未對準角調(diào)整B和C原點，以便消除該未對準角。e)重復整個過程，以便確認對準和/或進行迭代，以便獲得更準確的對準(目標是沒有未對準，即A軸平行與Z軸，以便在機器的位置精度范圍內(nèi))。根據(jù)本發(fā)明，零件安裝(part-on-moimt)方法對于不借助外部計量裝備和/或冗長的機械方法來執(zhí)行各種機器和嵌入式量具的對準是非常關(guān)鍵的。不過，此外，該方法還適用于其它用途。例如，由零件安裝(part-on-moimt)方法獲得的計算結(jié)果之一是相對于主軸軸線的楔角(和/或?qū)η蚨缘钠?。測量(有些情況下最小化)楔角和偏心本身就是有用的嘗試(獨立于機器和嵌入式量具的對準)。該方法可以以幾種方式用于該用途。對于球面而言，零件安裝(part-on-mount)方法并不分辨傾斜和偏心(由于球面的點對稱)。然而其他方法能夠用于對齊測試零件的物理邊緣，由此獨立于零件安裝 (part-on-mount)方法確立中心軸。這樣，如果能夠獨立于零件安裝(part-on-mount)方法測量測試表面的對中或楔角，則零件安裝(part-on-mount)方法可以用來求取其他未知數(shù)值。例如，可以利用傳統(tǒng)的機械方法(比如使機械指示器對齊在零件邊緣上，并且反復地旋轉(zhuǎn)主軸，同時輕打零件，直至確定其中心)相對于主軸確定帶有圓形邊緣(常見于光學用途中)的零件的中心。由于在零件安裝(part-on-mount)過程之前已經(jīng)消除偏心，因此隨后可以執(zhí)行零件安裝(part-on-mount)方法，并且將返回零件楔角的數(shù)值(進一步限制于對中精度的精確度)。類似地，可以在零件安裝(part-on-mount)方法之后采用所謂的反向方法，以便分離造成零件到主軸未對準的各種誤差因素的影響。例如，如果零件(在兩側(cè)標稱地平坦， 但不是必須平行的，比如零件37)被直接安放在主軸工作臺18上，則零件到主軸的未對準項有兩個主要原因零件37的前表面和后表面之間的角度，以及主軸面法線和主軸軸線之間的角度(即主軸面和/或中間零件固定裝置相對于主軸軸線的不垂直度)。通過相對于主軸轉(zhuǎn)動零件180度(不是轉(zhuǎn)動主軸180度)，則導致誤差的因素相反。在這些構(gòu)造下執(zhí)行零件安裝(part-on-mount)能夠使零件到工作臺和工作臺到主軸軸線未對準分量相分離， 并且根據(jù)主軸到零件的未對準度能夠獨立地確定上述各分量。相同的反向原理還可以用于分離產(chǎn)生誤差的原因，其中所述誤差原因可以借助零件安裝(part-on-moim技術(shù)、由更復雜的零件和安裝構(gòu)造測得。當然，這樣的誤差分離并不限于反向方法。任何測量技術(shù)都可以采用，只要其能夠分離具體分量對未對準的影響。例如，可以借助機械指示器來測量主軸面的錐度。為了分離測試零件的前表面和后表面之間的角度(楔角)與主軸表面，可以從之前所述的平面零件的零件安裝(part-on-mount)測量中減去上述錐度測量結(jié)果?？梢岳斫獾?，該方法的精度被限制到一定程度，即安裝可被重復(運動學上的)的程度。采用嵌入式量具，而非采用某些機械指示方法，能夠使零件的曲率中心和主軸軸線對準。當然，應該利用機械裝置來調(diào)整零件定位(例如，通過對零件邊緣非常輕微的敲打)，但是零件安裝(part-on-mount)方法能夠提供零件到主軸未對準度的原位測量，由此能夠使未對準度最小化?？梢岳斫?，基于這些校準方法所設(shè)計的動作的精度受到預先假設(shè)(例如軸線正交性)的精確程度、以及測量的不確定性的限制，校準即是從中該測量中衍生出的。這些步驟的校準“持續(xù)時間”如下對于給定的機器，步驟1和4只需要執(zhí)行一次，除非有任何機器損壞。當干涉儀被首次安裝到系統(tǒng)中，或失去(例如，步進電機系統(tǒng)的步進計數(shù)丟失)旋轉(zhuǎn)軸原點(A平行于Z)時，執(zhí)行步驟2和5。只要聚焦元件改變，即執(zhí)行步驟3。只要零件安裝在機器上就執(zhí)行零件安裝(part-on-moimt)，并且所述零件安裝 (part-on-mount)還可以用作其他步驟的子步驟。盡管參照各種具體實施例對本發(fā)明予以介紹，但應該理解到，可以在所述發(fā)明概念的精神和范圍內(nèi)作出多種改動。因此，本發(fā)明并不意在將自身限制到所介紹的實施例，而是具有由下述權(quán)利要求的語言所限定的整個保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于校正和對準計量系統(tǒng)的方法，其中所述計量系統(tǒng)包括多軸機械定位系統(tǒng)和嵌入式波陣面測量量具，以便精確地確定系統(tǒng)的平動軸和轉(zhuǎn)動軸之間的空間關(guān)系，所述方法包括下述步驟a)粗略地對準所述機械定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)動軸A，B和C以及所述各自的平動軸Z，Y和X，并且對所述轉(zhuǎn)動軸設(shè)置標稱零點；b)將所述嵌入式量具的主機架對準所述機械定位系統(tǒng)；c)將所述嵌入式量具對準所述A轉(zhuǎn)動軸(主軸)；d)當如此對準時，確定在所述轉(zhuǎn)動軸之間的空間偏移；以及e)精確地對準所述機器轉(zhuǎn)動軸和所述各自的平動軸，以便對所述轉(zhuǎn)動軸設(shè)置精確的零點ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，步驟b)包括下述步驟a)選擇聚焦元件；b)將所述聚焦元件安裝到所述嵌入式量具主機架上；c)將所述聚焦元件對準所述量具主機架的光學軸線；d)將具有至少一個曲線表面的測試零件安裝到所述定位系統(tǒng)的主軸軸線上；e)利用所述量具確定在所述主軸和所述量具光學軸線之間的任何未對準；以及f)沿著所述機械定位系統(tǒng)的一個或多個平動軸移動所述測試零件，以便消除所述未對準。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述聚焦元件是傳動球，而所述嵌入式量具是斐索干涉儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述確定步驟包括零件安裝步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述嵌入式量具產(chǎn)生標稱準直波陣面，并且其中步驟 b)包括下述步驟a)在所述準直波陣面中安裝光學平板；b)將具有至少一個平坦表面的測試零件安裝到所述定位系統(tǒng)的主軸軸線上；c)利用所述量具確定在所述主軸軸線和所述波陣面準直方向之間的任何未對準；以及d)移動所述機械定位系統(tǒng)的至少一個轉(zhuǎn)動軸線，以便消除所述未對準。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中，所述嵌入式量具是斐索干涉儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中，所述確定步驟包括零件安裝步驟。
8.一種用于確定機器主軸軸線相對于嵌入式量具的坐標系統(tǒng)的橫向未對準度以及測試零件相對于所述主軸軸線的橫向未對準度的方法，該方法用在包括多軸定位機器和處于準直模式的嵌入式波陣面測量量具的計量系統(tǒng)內(nèi)，所述方法包括以下步驟a)將具有至少一個平坦表面的測試零件安裝到所述定位機器的主軸軸線上，使測試零件暴露給所述量具波陣面，開口尺寸被完全包含在所述量具波陣面內(nèi)；b)在所述主軸軸線的多個旋轉(zhuǎn)位置處測量所述零件表面；c)從在每個主軸位置處的所述測量值中提取在量具坐標系統(tǒng)內(nèi)的x_y坐標；d)對所述χ-y位置擬合圓；以及e)確定所述圓的中心和半徑坐標，以便分別提供所述主軸軸線相對于所述嵌入式波陣面測量量具坐標系統(tǒng)的所述橫向未對準度以及所述測試零件相對于所述主軸軸線的所述橫向未對準度。
9.一種用在計量系統(tǒng)中的方法，其中所述計量系統(tǒng)包括波陣面測量量具和零件定位裝置，該零件定位裝置具有至少一個轉(zhuǎn)動軸和至少一個平動軸，所述方法用于通過計算所述一個轉(zhuǎn)動軸和所述一個平動軸之間的對對準角度來對準所述一個轉(zhuǎn)動軸和所述一個平動軸，所述方法包括以下步驟a)將測試零件安裝到所述轉(zhuǎn)動軸上；并且b)獲得在所述轉(zhuǎn)動軸的多個位置處的所述測試零件表面的量具測量值；c)用共焦地安裝在平動軸的多個位置處的至少一個球面零件，在所述一個平動軸的多個不同位置處重復執(zhí)行步驟a)和b)，以便產(chǎn)生代表在所述量具和所述轉(zhuǎn)動軸之間的、且在垂直于所述一個轉(zhuǎn)動軸的平面內(nèi)的未對準的多項數(shù)值；d)對所述多項量具未對準值相對于沿著所述平動軸的位置擬合直線；以及e)計算在所述平面內(nèi)、所述一個轉(zhuǎn)動軸偏離所述一個平動軸的所述未對準角，其等于所述直線擬合的斜率的反正切。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，利用多個具有不同半徑的球面測試零件執(zhí)行步驟C) O
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，利用帶有多個底座的一個球面測試零件來執(zhí)行步驟C)，其中所述多個底座具有不同的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述零件定位裝置包括不平行于所述第一轉(zhuǎn)動軸的一個或更多個轉(zhuǎn)動軸，所述方法還包括利用所述未對準角調(diào)整所述附加轉(zhuǎn)動軸的原點的步驟，以便減小所述未對準。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，重復地執(zhí)行所述未對準測量和調(diào)整步驟，以便使所述未對準最小化。
14.一種用在根據(jù)權(quán)利要求9的計量系統(tǒng)內(nèi)的方法，在該計量系統(tǒng)中，所述零件定位裝置包括三個平動軸，定義為X，Y和Z，以及三個轉(zhuǎn)動軸，定義為A，B和C，所述方法用于精確測量A轉(zhuǎn)動軸和Z平動軸之間的未對準角，所述方法包括下述步驟a)利用共焦地安裝在所述Z軸多個位置處的至少一個球面零件，對所述Z軸的多個不同位置重復地執(zhí)行權(quán)利要求21的步驟，以便產(chǎn)生代表所述量具和所述A軸之間的未對準度的多個X和Y方向未對準項；b)對所述多個X和Y橫向量具未對準項相對于Z軸位置進行直線擬合；并且c)沿所述X和Y方向計算所述X和Y方向上的所述A-Z未對準角，其分別等于沿所述 X和Y方向中的每一方向的所述擬合直線的斜率的反正切。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所述執(zhí)行步驟包括下述零件安裝步驟，以便獲得所述X和Y未對準項a)將所述測試零件安裝到所述主軸軸線上，使得所述測試零件的表面暴露給所述量且.Z、 9b)在所述主軸的多個轉(zhuǎn)動位置處利用所述量具獲得所述測試零件表面的測量值； C)從每個所述轉(zhuǎn)動位置處的所述表面測量值中提取傾斜分量；d)對所述傾斜分量和所述轉(zhuǎn)動位置擬合圓；以及e)確定所述圓的中心和半徑坐標，以便分別提供量具到主軸以及主軸到零件的未對準。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括利用所述計算得到的未對準角調(diào)整所述B和/或 C轉(zhuǎn)動軸的原點的步驟，以便使所述A-Z未對準最小化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，重復地執(zhí)行所述測量和調(diào)整步驟，以便改進和/或確認所述A-Z偏心的所述最小化。
全文摘要
一種用于校準多軸計量系統(tǒng)的幾何形狀的方法，其中所述系統(tǒng)包括具有多軸零件定位裝置的機器，并且在機器內(nèi)嵌有波陣面測量量具。該量具被用來確定平動軸和轉(zhuǎn)動軸之間、零件表面坐標和機器坐標之間、以及機器坐標和嵌入式量具坐標之間的空間關(guān)系，校準機器和嵌入式量具的各個分量，并且用于將自身對準機器。完整的方法包括以下步驟粗略地對準機器轉(zhuǎn)動軸和它們各自的平動軸，并且為轉(zhuǎn)動軸設(shè)置標稱零點；將嵌入式量具主機架對準機器軸線；將嵌入式量具的焦點對準到主軸軸線上；如此對準之后，確定轉(zhuǎn)動軸之間的空間偏移；精確地對準機器轉(zhuǎn)動軸和它們各自的平動軸；以及為轉(zhuǎn)動軸設(shè)置精確的零點。
文檔編號G01C9/00GK102519399SQ20111033935
公開日2012年6月27日 申請日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者喬恩·弗里格, 保羅·墨菲, 格雷格·福布斯 申請人:Qed國際科技公司