專利名稱：補償由于測量機器的機床在工件載荷下變形引起的測量誤差的方法及根據(jù)該方法操作的 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種補償測量機器的測量誤差的方法以及根據(jù)所述方法操作的測量 機器，該測量誤差源自待測量工件施加在機床上的載荷所引起的機床變形。
背景技術(shù)：
如公知的那樣，測量機器通常設(shè)有固定底座或機床以及移動單元，該移動單元被 設(shè)計成使一測量頭根據(jù)坐標軸相對于機床在位于機床上方的測量空間內(nèi)移動。移動單元通 常包括沿相對于機床為縱向的軸線移動的主車架(carriage)，以及由主車架承載且可沿相 應坐標軸移動的一個或多個車架。機床可以是一體的，例如由花崗巖或鑄鐵制成，或者可以包括這樣一組構(gòu)件，所述 構(gòu)件彼此剛性固定以形成相當剛性的結(jié)構(gòu)。機床通常具有兩個功能支撐和約束被測量的 工件；以及沿機器的其中一個坐標軸定義用于移動單元的導向，尤其是用于機器主車架的 導向。前述類型的測量機器通常設(shè)有補償幾何誤差的系統(tǒng)，S卩，設(shè)有補償由于機器的構(gòu) 造缺陷而產(chǎn)生的測量誤差的系統(tǒng)，這些構(gòu)造缺陷例如為坐標軸的直線性誤差、坐標軸之間 的正交性缺陷等。當前具有嚴格幾何性質(zhì)的補償技術(shù)通常不考慮由于機床在待測量工件的重量下 的彈性變形導致的測量誤差。當待測量的工件具有相當大的重量時(例如，在硬模、引擎部 件，大尺寸鑄件的情形中)，所述誤差可能是不可忽略的，且可能削弱機器精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種補償方法，所述方法將解決已知方法固有的缺點，并且 尤其能夠?qū)⒂晒ぜ闹亓繉е碌臋C床變形所引起的測量誤差考慮在內(nèi)。前述目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的補償方法實現(xiàn)的。本發(fā)明還涉及根據(jù)所述方法操作的測量機器。


為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖以非限制性實例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選 實施例，其中-圖1是根據(jù)本發(fā)明方法操作的測量機器的示意透視圖；-圖2是圖1中機器的示意側(cè)視圖，其中無載荷；-圖3是圖2中機器的示意側(cè)視圖，其中示意性地示出了由于將工件放置在機床上 而導致的幾何變形；-圖4示出了在機床上有載荷的情況下，機器主車架的縱搖旋轉(zhuǎn)(pitch rotation)和橫搖旋轉(zhuǎn)(roll rotation)根據(jù)移動路徑的變化；
-圖5是機床的示意透視圖，其示出了工件重量引起的變形；-圖6是本發(fā)明方法的方框圖；以及-圖7是一測量方法的方框圖，該測量方法使用利用本發(fā)明方法獲得的校正的補 償映射(map)。
具體實施例方式參考圖1，門座(portal)測量機器整體以1表示?，F(xiàn)在就指出的是，形成本發(fā)明主 題的方法可用于補償不同架構(gòu)(例如具有水平臂或支柱)的機器的誤差。機器1包括具有被設(shè)計成支撐待測量物體(未示出)的水平工作表面3的平面機 床2，以及可相對于機床2沿坐標軸移動的單元4。單元4包括可相對于機床2沿水平軸Y移動的主門座車架5 (下面為了簡潔，稱為 “門座5”)。門座5設(shè)有一對立柱(upright)6和7以及在立柱6和7之間延伸的橫梁8，橫 梁8平行于水平軸X且垂直于軸Y。單元4還包括由橫梁8承載并可在橫梁上沿軸X移動的輔車架9，和由輔車架 9承載并可相對于該輔車架沿與軸X和Y正交的豎直軸Z移動的測量柱(measurement column)10。接觸探針11可通過兩軸連接設(shè)備(articulation device)(未示出)安裝在柱10 的底端。門座5、車架9、和柱10可在由測量和控制單元12控制的相應電機(未示出)的 控制下移動。該測量和控制單元連接到與機器軸以及與探針11關(guān)聯(lián)的位置傳感器(未示 出)，以便接收來自探針的信號，從而能夠采集機器軸的瞬時坐標。機器1裝配有補償幾何誤差的系統(tǒng)(該系統(tǒng)本身是已知的)。補償是基于存儲的 映射13進行的，該映射是在無載荷條件下經(jīng)傳統(tǒng)類型機器的動力學模型確定的。參考圖1，工作表面3上標識有用于機器的幾何補償?shù)墓潭▍⒖荚O(shè)定位置 (reference setting position)REF0還定義了笛卡爾參考系xyz，其具有平行于機器的軸 X、Y、Z的軸和位于點REF的原點。補償映射是以已知方式通過檢測沿軸x、y、z以彼此之間有一定距離的方式適當設(shè) 置的點處的誤差參數(shù)而獲得的，因此這里不做詳細說明。例如用干涉儀(interferometer) 針對前述的每個點執(zhí)行相對于點REF的位置差分(differential position)測量，以及例 如用位于點REF的固定的傾斜儀(inclinometer)和安裝在可移動單元4上的傾斜儀執(zhí)行 傾斜差分(differential inclination)測量。根據(jù)本發(fā)明，提出了一種額外的補償方法，其還能夠確定由于待測量的工件放置 在機床2上而導致的機床變形的影響。為了計量目的，所述影響基本導致了軸Y的幾何構(gòu) 型變化，即，導致了門座5的構(gòu)造隨其沿移動路徑的位置變化而產(chǎn)生變化。通過圖3與圖2 的比較示意性地突出顯示了所述變化，在圖3中機床2上載有重量W，在圖2中機床未受加載。軸Y的幾何變化類似于由機器的幾何誤差導致的變化，所述幾何誤差包括在機器 1的幾何補償映射13中，并且是在無載荷的情況下確定的。因而，例如使用有限元數(shù)值模擬 模型計算的由于重量導致的空間方位角(attitude)變化，可作為附加校正輸入到現(xiàn)有補
5償映射中。以該方式，可獲得所檢查的變形現(xiàn)象的補償。可例如以如下一種方式在機器中進行數(shù)值模擬 在機器1的測量和控制單元12中結(jié)合限元模型和相應計算程序；在每次放置工 件時，起動并運行計算程序；以及 在機器1的測量和控制單元12中存儲包含機床變形數(shù)據(jù)的映射，這些數(shù)據(jù)是預 先一次性(once and for all)對一預定義組載荷情況計算得到的。下面描述上述第二實施方式實施例的例子。根據(jù)假設(shè)，假定機床2變形引起的門座5的主空間方位角變化是繞水平軸(x和y) 的旋轉(zhuǎn)，而其他分量被忽略。然而，該補償方法應被當作通用的并可用于任何變形分量。繞軸X和y的旋轉(zhuǎn)被稱為縱搖(pitch)和橫搖(roll)，其對應于如上所述慣常使 用的幾何補償所考慮的旋轉(zhuǎn)，并且是參照相對于點REF固定的參考系x、y、z來理解的。對于機床2上的一組基本載荷條件，可以使用有限元計算建立這樣一種映射，所 述映射包含根據(jù)門座5沿移動路徑的位置變化的門座的縱搖旋轉(zhuǎn)和橫搖旋轉(zhuǎn)值。例如，作為基本載荷條件，可以假定，在位于工作表面3上的與軸X，Y對準且具有 預設(shè)間距(如100mm)的格柵上的點上(圖1)施加單位垂直力F(如lkN)。對于每個基本 載荷條件，即，對于屬于格柵的每個單位力施加點，存在利用有限元方法預先計算的根據(jù)門 座位置沿其移動路徑變化(即，根據(jù)Y變化)而變化的門座縱搖和橫搖旋轉(zhuǎn)值。圖4中的曲線示出了對于給定基本載荷條件，門座5的隨Y變化的縱搖和橫搖旋 轉(zhuǎn)值的變化曲線。通過對所有預定基本載荷條件計算隨車架位置變化的縱搖旋轉(zhuǎn)和橫搖旋轉(zhuǎn)，可以 創(chuàng)建預定變形映射14，其存儲在機器1的測量和控制單元12中，作為該給定機器模型的特 征。將通過以下特征組來定義與將待測量的給定工件放置在機床上相對應的實際載 荷條件，所述特征共同作用以確定相關(guān)情形中傳遞到機床的載荷，也就是-工件和可能的支撐和固定裝備的總重量；-總載荷質(zhì)心的位置；以及-在工作表面上的擱置模式(restingmode)(擱置點或擱置區(qū)域的數(shù)目和位置)。擱置點、質(zhì)心等的不同位置被理解為相對于參考系XY的坐標。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，該方法構(gòu)思了一系列規(guī)則和假設(shè)，這些規(guī)則和假設(shè)使 得任何實際載荷條件均能夠被還原成可用基本載荷表示的等價條件。所考慮的標準載荷條件可以是，例如a)擱置在任意3個點上，質(zhì)心在任意位置上；b)擱置在平行于XY定向的矩形頂點處的四個點上，質(zhì)心在任意位置；c)擱置在n個點上，每個點上的載荷是已知的；d)分布式(distributed)擱置在一矩形區(qū)域上，該矩形平行于XY定向并近似計為 格柵(grid)的網(wǎng)格(mesh)的整數(shù)，質(zhì)心在任意位置；以及e)均勻分布地擱置在近似計為格柵網(wǎng)格的整數(shù)的區(qū)域上。一旦定義了標準載荷條件，必須定義插值規(guī)則以便將標準載荷配置轉(zhuǎn)換為基本載
6荷情形的線性組合。例如，所述規(guī)則可以如下-在載荷集中于一個擱置點的情形中，載荷被分解為施加到包含該擱置點的格柵 網(wǎng)格的頂點上的四個力，并例如通過對于每個網(wǎng)格施加旋轉(zhuǎn)平衡并且相對于穿過載荷施加 點且平行于網(wǎng)格側(cè)邊的兩個軸不存在扭曲而進行計算；-在分布式擱置情形(圖5)中，計算壓在格柵每個網(wǎng)格上的總載荷，并將所述載荷 分解為施加在網(wǎng)格頂點上的四個相等載荷。給定基本載荷情形的任何線性組合，可以如下操作計算主車架的縱搖旋轉(zhuǎn)和橫搖 旋轉(zhuǎn)的相應值·從變形映射中提取關(guān)于線性組合的每個分量的縱搖和橫搖旋轉(zhuǎn)值(基本載荷情 形，單位力)； 基于載荷的有效值設(shè)置比例(proportioning)；以及·對所有分量求和從而獲得總影響。這樣計算的旋轉(zhuǎn)被用作校正值(適當設(shè)定符號)以便更新機器的幾何補償映射， 然后校正在工件上執(zhí)行的測量。該方法是根據(jù)圖6方框圖的處理程序執(zhí)行的。第一輸入方框15使得能夠采集關(guān)于載荷配置的數(shù)據(jù)。所述采集可通過手動輸入執(zhí)行。具體地，操作員輸入(通過鍵盤或圖形界面輸入) 與特定情形中的載荷條件有關(guān)的數(shù)據(jù)-加載在機床上的總重量手動輸入或以其他方式確認基于CAD實體模型(如果 有的話)自動計算的重量；-載荷配置，在可用的標準載荷配置之間選擇；-基于前面的選擇，計算所需的數(shù)據(jù) 擱置點的坐標；·擱置區(qū)域(如果是矩形)的限制值X和Y ；·載荷質(zhì)心的坐標； 承受分布載荷的格柵的網(wǎng)格；·每個擱置點的載荷(η個擱置點的情形)?？商鎿Q地，上述用于數(shù)據(jù)采集的步驟可以是自動的在測量前的對準步驟中，測量 機器采集的點可用于針對配置b)，d)和e)確定工件在工作表面上的位置。然后控制轉(zhuǎn)移到接下來的處理方框16，其中基于上述規(guī)則對載荷數(shù)據(jù)進行處理， 以便確定用于表示所輸入的標準載荷的基本載荷條件，以及等價于所輸入的標準載荷的基 本載荷線性組合的系數(shù)。在隨后的方框17中，針對每個基本載荷條件，程序從預定變形映射14中提取門座 5的位置變化時的縱搖和橫搖旋轉(zhuǎn)誤差。在方框18中，基于方框16中確定的系數(shù)，對方框17中確定的旋轉(zhuǎn)誤差做線性組 合計算并將其作為幾何補償映射的校正值。最后，在方框19中，利用校正值校正幾何補償映射并因此計算校正后的幾何補償 映射，這不僅取決于機器模型而且還取決于具體的載荷條件，即，取決于所測量的工件和工件的約束條件。在補償步驟中輸入和計算的數(shù)據(jù)集可被存儲起來以供以后在類似工件的測量情 形中再使用。現(xiàn)在機器1就緒以便執(zhí)行測量周期。圖7的方框圖示出工件的測量過程。控制從測量方框20 (其中機器1采集“原始”坐標，即尚未被補償并因此存在幾何 性質(zhì)誤差的坐標)進入方框21 (其中原始坐標是以與傳統(tǒng)機器中發(fā)生的方式類似但卻是根 據(jù)本發(fā)明通過校正后的幾何補償映射進行補償)。因此，測量將會清除在檢查中出現(xiàn)的現(xiàn)象的負面影響。如此計算的“校正后的”坐標被存儲在方框22中。在測量結(jié)束時，操作員可便利地選擇(方框23)是否保持該校正后的映射有效，以 用于測量相同類型的另一個工件，或返回到前面情形中(方框24用于復位補償映射)。由于工件在工作表面上的位置和可能的擱置模式在理論上是無限的，作為以上所 述的總結(jié)，該方法可包括用于放置工件的指導說明，以便使實際工作條件盡可能地接近理 論模型中所考慮的條件，補償是基于理論模型中所考慮的這些條件進行的。通過對所述補償方法的特征的檢查，可顯然看出其優(yōu)點。具體地，除了通常的幾何補償外，由于工件的載荷導致的機床變形所引起的幾何 誤差也被補償。這使得可以在補償中考慮工件重量和其在機床上的約束條件兩者。最后，顯然地，在不偏離所附權(quán)利要求限定的保護范圍的情況下，可對這里所述的 方法做出修改和變化。具體地，盡管所述方法是參照門座機器描述的，但這完全是通用的，并可以用于任 何類型的機器，甚至是是非笛卡爾型機器。而且，盡管該方法是參考對于門座的旋轉(zhuǎn)誤差進行補償而描述的，但可將其擴展 為用于校正由于工件載荷弓I起的任何幾何誤差。
權(quán)利要求
一種補償測量機器(1)的測量誤差的方法，所述測量誤差源自于待測量工件施加在測量機器(1)的機床(2)上的載荷引起的機床(2)的變形，其特征在于，所述方法包括第一采集步驟(15)，在所述第一采集步驟中采集與所述工件的重量和所述工件在所述機床上的約束條件有關(guān)的數(shù)據(jù)；以及第二計算步驟(16，17，18，19)，在所述第二計算步驟中，根據(jù)所述數(shù)據(jù)計算校正值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步驟包括計算用于校正預先存 儲的幾何補償映射(13)的校正數(shù)據(jù)的步驟(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二步驟包括將根據(jù)預定基本載 荷條件得到的相應值的線性組合計算作為與所述機床(2)在所述工件的載荷下的變形相 關(guān)的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述預定載荷條件是通過在所述機床(2) 的工作表面(3)的各預設(shè)點施加預設(shè)載荷(F)而定義的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述預設(shè)點在所述機床(2)的工作表面 ⑶上定義出格柵。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一步驟(15)包括從多 個標準載荷條件中進行選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述標準載荷條件至少包括擱置在三個 點上的條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述標準載荷條件至少包括擱置在一矩 形的頂點處的四個點上的條件，所述矩形平行于所述工作表面(3)的兩個坐標軸(X，Y)而定向。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述標準載荷條件至少包括擱置在n個點 上的條件，其中每個點上的載荷是已知的。
10.根據(jù)權(quán)利要求5和6所述的方法，其特征在于，所述標準載荷條件至少包括分布式 擱置在矩形區(qū)域上的條件，所述矩形區(qū)域平行于所述工作表面(3)的兩個坐標軸(X，Y)而 定向并近似計為所述格柵的網(wǎng)格的整數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5和6所述的方法，其特征在于，所述標準載荷條包括均勻分布地擱 置在一區(qū)域上的至少一個條件，所述區(qū)域近似計為所述格柵的網(wǎng)格的整數(shù)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述校正值是基于所述機器 的簡化模型計算的，所述簡化模型考慮了較少數(shù)量的誤差分量。
13.根據(jù)權(quán)利要求4到11中任一項所述的方法，用于補償?shù)芽枩y量機器中的誤差，所 述笛卡爾測量機器包括主車架(5)，所述主車架可相對所述工作表面沿第一軸(Y)移動； 以及至少一個第二車架(9)，其由所述主車架(5)承載并可相對于所述主車架沿與所述第 一軸(Y)正交且與所述工作表面(3)平行的第二軸(X)移動，其特征在于，所述校正值是基 于所述機器的簡化模型計算的，所述簡化模型僅考慮了所述主車架(5)繞所述軸(X，Y)的 旋轉(zhuǎn)。
14.一種測量機器，其包括機床(2)和移動單元(4)，所述移動單元用于使測量傳感器 (11)相對于所述機床(2)移動，其特征在于，所述測量機器包括用于補償測量誤差的補償 系統(tǒng)，所述測量誤差源自于待測量工件施加在所述機床上的載荷引起的所述機床的變形，所述補償系統(tǒng)根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法進行操作。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種補償測量機器(1)的測量誤差的方法，該測量誤差源自于待測量工件施加在機床上的載荷引起的機床(2)的變形，所述方法包括第一采集步驟，在該步驟中采集與工件重量和工件在機床(2)上的擱置模式有關(guān)的數(shù)據(jù)；以及第二計算步驟，在該步驟中根據(jù)所述數(shù)據(jù)計算校正值。
文檔編號G01B21/04GK101896790SQ200780100678
公開日2010年11月24日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者洛倫佐·梅洛 申請人:海克斯康測量技術(shù)有限公司