專利名稱：補償測量機器的源自機器的移動單元施加在機床上的載荷引起的機床變形的測量誤差的 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及補償測量機器的測量誤差的方法和按該方法工作的測量機器，其中測量誤差源自機器的移動單元施加在機床上的載荷引起的機床的變形。
背景技術：
如公知的那樣，測量機器通常設有固定底座或機床以及移動單元，該移動單元被 設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有補償幾何誤差的系統(tǒng)，即，設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。在機器的操作過程中，機床的可變彈性變形會由于隨著車架位置變化機器的移動單元施加在機床上的載荷而產(chǎn)生。這會導致工件的位置和空間方位角相對于用于幾何補償 的空間方位角參考的變化。當前基于靜態(tài)確定的補償映射的補償技術沒有考慮該現(xiàn)象，這可能引起不可忽略的測量誤差。

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蓹C床變形所引起的測量誤差考慮在內(nèi)，該機床變形是由于機器的移動單元施 加在機床上的載荷導致的。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中的機器在移動單元處于第一位置時的示意側(cè)視圖3是圖2中的機器在移動單元處于第二位置時的示意側(cè)視圖；圖4是機床的示意透視圖，示出了由移動單元的重量引起的變形；圖5是一表格的例子，其給出了在機器移動單元處于預設位置處時機床特定點的縱搖旋轉(zhuǎn)(pitch rotation)和橫搖旋轉(zhuǎn)(rollrotation)；圖6是本發(fā)明方法的方框圖；以及圖7是測量方法的方框圖，其使用了利用本發(fā)明方法獲得的校正后的補償映射。
具體實施例方式參考圖1，門座測量機器整體以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，以及由輔車 架9承載并可相對于輔車架9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 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 傾角差分(differential inclination)測量。根據(jù)本發(fā)明，提出了一種額外的補償方法，其還能夠確定由于可移動單元4在機 床2上施加的載荷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工件位 置和角方位的變化，這相對用于機器的幾何補償?shù)目臻g方位角參考REF不是固定的。通過圖2與圖3的比較示意性地突出顯示了所述變化，其中，隨著由于機床2變形 導致的移動單元4的位置變化，工件W的位置和空間方位角的變化是明顯的。假設一機器模型并假設出其尺寸和重量特征，則移動單元4的移動所導致的機床2的變形可以通過數(shù)值模擬方法(例如，通過有限元分析)高度精確地評估出。該計算還使得能夠根據(jù)放置在工作表面上給定位置中的工件W的空間方位角的 變化確定對于機床2的變形影響(圖4)?？商鎿Q地，在運行機器幾何補償?shù)倪^程時，可通過實驗方法檢測出處于不同位置 中的工件的相同空間方位角變化。在任何情形中，一旦得知了放置在工作表面3上的工件W隨機器移動單元4的位 置變化而得出的空間方位角變化，則可將這些空間方位角變化存儲在機器的補償映射中， 作為獨立參數(shù)或是作為對現(xiàn)有參數(shù)的額外校正。使用所述參數(shù)，可以獲得被檢查的變形現(xiàn)象的補償?？衫缫匀缦乱环N方式在機器上進行數(shù)值模擬·在機器1的測量和控制單元12中結(jié)合有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；和·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，假定機床2變形引起的工件W的主空間方位角變化是繞水平軸(χ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χ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固定的參考系統(tǒng)χ、y、ζ來理解的。一旦得知了機器1的幾何特征，則可使用有限元計算來建立映射，所述映射包含 工作表面一系列特征點的垂直位移值?？筛鶕?jù)格柵(grid)G布置所述點，該格柵G以適當 的間距(例如100mm)覆蓋整個工作表面(圖1)。垂直位移值是通過將移動單元4施加的載荷作為應力載荷而計算的。該計算是 隨門座5的位置和輔車架9的位置沿其各自路徑變化而執(zhí)行的，其中伴有適當?shù)囊苿娱g距 (如 100mm)。所述位移也參照相對于點REF固定的參考系χ、y、ζ。這樣建立的變形映射存儲在機器的測量和控制系統(tǒng)中，作為給定機器模型的特 征。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，該方法設想了一系列規(guī)則和假定，這些規(guī)則和假定使 得工件W的任何實際擱置模式(resting mode)均能夠被還原為可用所選特征點表示的等 效標準模式。例如，所考慮的標準擱置模式可以如下a)擱置在任意三個點上；b)擱置在平行于XY定向的一矩形頂點處的四個點上；以及c)分布式(distributed)擱置在一矩形區(qū)域上，其平行于XY定向并近似計為網(wǎng)格 網(wǎng)眼的整數(shù)。一旦定義了標準擱置模式，則必須定義插值和計算規(guī)則，以便獲得各種標準擱置 模式下工件的空間方位角變化，該控件方位角變化被理解為根據(jù)機器車架位置變化的縱搖 角(pitch angle)禾口橫搖角(roll angle)。
例如，所述規(guī)則可以如下-在點擱置的情形中，每個擱置點的位移是通過對包含擱置點的柵格網(wǎng)格(mesh)頂點的位移進行插值來計算的；_在分布式擱置的情形中，擱置區(qū)域的旋轉(zhuǎn)是根據(jù)區(qū)域頂點的位移來計算的。因此，在給定任何實際擱置載荷的情況下，可以通過如下處理計算工件的相應縱 搖旋轉(zhuǎn)值和橫搖旋轉(zhuǎn)值·從變形映射中進行提取與靠近工件的擱置點或區(qū)域的格柵點有關的垂直位移 值； 計算擱置點的垂直位移(模式a和b)或擱置區(qū)域頂點的垂直位移(模式C)；以 及·計算工件W的縱搖旋轉(zhuǎn)角和橫搖旋轉(zhuǎn)角。因此，對于給定的工件位置(圖4)，可以獲得并存儲一表格，所述表格給出門座5 的位置(Y坐標)和輔車架9的位置(X坐標)變化時的縱搖旋轉(zhuǎn)值和橫搖旋轉(zhuǎn)值。在圖5 中提供了所述表格的一個實例。這樣計算的旋轉(zhuǎn)是工件相對于用于機器幾何補償?shù)目臻g方位角參考(REF)的旋 轉(zhuǎn)，并且由于所述門座相對于位置REF的空間方位角是已知的，因而該旋轉(zhuǎn)可從工件的觀 察點觀察并作為機器門座5的旋轉(zhuǎn)。因此所述旋轉(zhuǎn)可用于校正(通過適當設定符號)，以便更新機器幾何補償映射的 與門座5有關的部分并因此校正對工件做出的測量。該方法是作為根據(jù)圖6中方框圖的處理程序執(zhí)行的。第一輸入方框15使得能夠采集與工件擱置模式有關的數(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) 關于特定情形中工件的布置的數(shù)據(jù)-擱置模式，從可用標準模式中選擇；_根據(jù)前面的選擇，用于計算所必需的數(shù)據(jù) 擱置點的坐標；·矩形擱置區(qū)域的限制值X和Y?？商鎿Q地，上述數(shù)據(jù)采集的步驟可以是自動的在測量前的對準步驟過程中，測量 機器采集的點對于模式b)和C)可用來確定工件在工作表面上的位置。在隨后的方框16中，程序從預定義的變形映射14中提取擱置模式中涉及的網(wǎng)格 點的垂直位移。然后控制進入到下一個處理方框17，其中基于上述規(guī)則處理與擱置模式有關的數(shù) 據(jù)，以便確定工件W的縱搖旋轉(zhuǎn)和橫搖旋轉(zhuǎn)，即，幾何補償映射的校正值。最后，在方框18中，利用校正值校正幾何補償映射并因此計算出校正后的幾何補 償映射，這不僅取決于機器模型，還取決于所測量的工件以及該工件的擱置模式。在補償步驟過程中輸入和計算的數(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?，F(xiàn)在機器1就緒以執(zhí)行測量周期。圖7的方框圖示出了工件測量過程。
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時出現(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。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，補償基于理論模型中所考慮的這些條件進行。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，由機床2的變形引起的幾何誤差也被補償，機床 2的該變形是由于機器的移動單元4施加在機床上的載荷導致的。這使得在補償中可以將 工件的空間方位角變化考慮在內(nèi)，該空間方位角變化取決于門座5和車架9的位置變化時 工件在機床上的擱置模式。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，盡管所述方法是針對門座機器描述的，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，盡管所述方法是參考對于旋轉(zhuǎn)誤差進行補償而描述的，但可將其擴展為用 于校正由于移動單元施加的載荷引起的任何幾何誤差。
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所述測量機器(1)的移動單元(4)施加在所述測量機器(1)的機床(2)上的載荷導致的所述機床的變形，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工件(W)在所述機床(2)上的約束條件有關的第一數(shù)據(jù)；第二采集步驟(17)，在所述第二采集步驟中采集與所述測量機器(1)的移動單元(4)位置變化時機床(2)的變形有關的第二數(shù)據(jù)；以及第三計算步驟(18)，在所述第三計算步驟中根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)和所述第二數(shù)據(jù)計算出校正值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三步驟包括計算用于校正預先存 儲的幾何補償映射(13)的數(shù)據(jù)的步驟(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第三步驟包括根據(jù)所述第一數(shù)據(jù) 和所述第二數(shù)據(jù)計算工件的空間方位角變化的操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述工件的空間方位角是基于所述機床 (2)的表示工件位置的各點的垂直位移來計算的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二數(shù)據(jù)包括所述機床 (2)的工作表面(3)上的格柵(G)的各點的垂直位移，所述垂直位移是隨著所述移動單元 (4)的位置變化來計算的。
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 個標準擱置模式中進行選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述標準擱置模式至少包括擱置在三個 點上的模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述標準擱置模式至少包括擱置在一矩 形的頂點處的四個點上的模式，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，所述標準擱置模式至少包括分布式擱置 在一矩形區(qū)域上的模式，所述矩形區(qū)域沿平行于所述工作表面(3)的兩個坐標軸(X，Y)的 方向而定向。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述校正值是基于簡化模型 來計算的，所述簡化模型僅考慮了所述工件(W)相對于所述工作表面的坐標軸(X，Y)的旋轉(zhuǎn)。
11.一種測量機器，其包括機床⑶和用于使一測量傳感器(11)相對于所述機床(2) 移動的移動單元(4)，其特征在于，所述機器包括用于補償源自所述機床(2)的變形的測量 誤差的系統(tǒng)，所述變形是由所述移動單元(4)施加在所述機床(2)上的載荷引起的，所述系 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，該測量誤差源自于由機器(1)的移動單元(4)施加在機床上的載荷導致的機器(1)機床(2)的變形，其包括第一采集步驟，在該第一采集步驟中采集與工件(W)在機床(2)上的擱置模式條件有關的第一數(shù)據(jù)；第二采集步驟，在該第二采集步驟中采集與機床(1)的移動單元(4)位置發(fā)生變化時機床(2)的變形有關的第二數(shù)據(jù)；以及第三計算步驟，在該第三計算步驟中根據(jù)所述第一和第二數(shù)據(jù)計算出校正值。
文檔編號G01B11/00GK101802548SQ200780100679
公開日2010年8月11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:?？怂箍禍y量技術有限公司