減小在確定工件坐標(biāo)或加工工件時(shí)所采用的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差的制作方法
【專利說明】減小在確定工件坐標(biāo)或加工工件時(shí)所采用的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于減小旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差的方法，其中，誤差在確定工件坐標(biāo)或 者在加工工件時(shí)出現(xiàn)或者起作用。旋轉(zhuǎn)設(shè)備能夠在確定坐標(biāo)或加工工件期間使工件圍繞旋 轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明還設(shè)及一種能夠執(zhí)行所述方法的設(shè)備。在此認(rèn)為 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差至少部分是可重復(fù)再現(xiàn)的。
[0002] 已知將工件可旋轉(zhuǎn)地支承，W便測(cè)量其坐標(biāo)或者加工工件。例如在坐標(biāo)測(cè)量技術(shù) 的領(lǐng)域，將工件布置在可旋轉(zhuǎn)的臺(tái)上(所謂的旋轉(zhuǎn)臺(tái)）。W此方式可W將工件置于不同的工 作定向，坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(簡(jiǎn)稱:KMG)在所述工作定向中工作，也就是測(cè)量工件坐標(biāo)。在旋轉(zhuǎn)設(shè)備 使工件圍繞其旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，尤其可W連續(xù)地(例如掃描地)測(cè)量工件坐標(biāo)。通過旋轉(zhuǎn)設(shè) 備可W縮短所選的測(cè)量時(shí)間/加工時(shí)間，提高測(cè)量/加工的精度和/或使用更簡(jiǎn)單的坐標(biāo)測(cè) 量裝置或更簡(jiǎn)單的加工工具。
[0003] 相應(yīng)地適用于通過機(jī)床加工工件。工件可W被置于不同的工作定向中，W便工具 進(jìn)行加工。工件尤其可W在其被加工時(shí)連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。
[0004] 工作定向尤其可W通過一個(gè)方向定義，所述方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸線延伸并且經(jīng)過工 件表面上的一個(gè)點(diǎn)，在所述點(diǎn)上掃描或者說探測(cè)工件或者加工工件。因此，在通過觸頭對(duì)工 件進(jìn)行接觸式掃描或者在加工工件時(shí)作用在工件上的力尤其可W垂直于旋轉(zhuǎn)軸線沿工作 定向的方向作用。
[0005] 在坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，通常有利于對(duì)工件進(jìn)行形狀檢驗(yàn)的是，通過觸頭探測(cè)工件， 所述觸頭在旋轉(zhuǎn)設(shè)備使工件旋轉(zhuǎn)期間具有相對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備幾乎恒定的工作定向和工作位 置。工作位置和工作定向不是完全恒定的，因?yàn)楣ぜǔ２⒉皇蔷_地關(guān)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋 轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地布置和/或不是或不是精確地旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地成型。例如，接觸式探測(cè)工件表 面的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x觸頭可W由坐標(biāo)測(cè)量?jī)x保持在固定位置和固定定向上，其中，與待測(cè)量的 工件形狀相關(guān)地，觸頭相對(duì)于觸頭支架偏轉(zhuǎn)不同的距離。通過幾乎恒定的工作定向和工作 位置，可W將由于位置相關(guān)和定向相關(guān)的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x誤差造成的坐標(biāo)測(cè)量誤差減至最小。 在運(yùn)種情況下，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果有重要影響。在很多情況下也能夠W運(yùn)種方式 提高測(cè)量工件的速度。
[0006] 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差通過實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線與理想旋轉(zhuǎn)軸線的偏差產(chǎn)生。EricMarsh在 Precision Spindle Metrology",ISBN 978-1-932078-77-0中，尤其在第二章中描述了用 于描繪精度螺桿的運(yùn)動(dòng)誤差的方案。由Marsh描述的誤差分離方法由一種測(cè)量結(jié)構(gòu)出發(fā)，其 中，=個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的校準(zhǔn)體的運(yùn)動(dòng)。所述=個(gè)傳感器由共同的支架固定。=個(gè)傳 感器同時(shí)記錄的測(cè)量信號(hào)允許在之后通過計(jì)算將校準(zhǔn)體(檢驗(yàn)球）的形狀誤差與螺桿的運(yùn) 動(dòng)誤差分隔開(分離）。
[0007] 旋轉(zhuǎn)設(shè)備誤差的大小在很多情況下與導(dǎo)入的力和力矩有關(guān)，所述力和力矩通過布 置在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的工件的質(zhì)量和/或通過坐標(biāo)測(cè)量裝置或加工工具的力作用在工件上。在 旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)也可能出現(xiàn)動(dòng)態(tài)效應(yīng)。在工件測(cè)量地點(diǎn)處，運(yùn)些誤差與工件的待測(cè)量 誤差疊加，因此不能準(zhǔn)確地測(cè)量工件的誤差。在加工工件時(shí)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差導(dǎo)致工件相比 標(biāo)準(zhǔn)的誤差。尤其在較大的工件中，可能由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備誤差隨著與旋轉(zhuǎn)設(shè)備距離的增大所 產(chǎn)生的幾何增強(qiáng)而形成特別大的測(cè)量誤差或加工誤差。
[0008] 為了減小旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差可W運(yùn)樣設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，W使誤差符合規(guī)定。尤其可W 使用油或空氣支承件來支承旋轉(zhuǎn)設(shè)備的可旋轉(zhuǎn)部分并且在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中使用直 接驅(qū)動(dòng)器。旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差越小，構(gòu)造設(shè)計(jì)耗費(fèi)就越高。用于制造運(yùn)種旋轉(zhuǎn)設(shè)備的耗費(fèi)較高 并且在很多情況下，運(yùn)種旋轉(zhuǎn)設(shè)備具有較大的尺寸，在機(jī)械上較復(fù)雜并且相對(duì)外部影響因 素如污物較敏感。在用于坐標(biāo)測(cè)量或者加工工具的、具有不需要供應(yīng)空氣或油的滾動(dòng)軸承 裝置的設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的油或空氣支承件是較大的附加耗費(fèi)。本發(fā)明尤其設(shè)及具有運(yùn)種 滾動(dòng)軸承裝置的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。
[0009] 旋轉(zhuǎn)設(shè)備誤差在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的減小也導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用可能性受到限制，因?yàn)?旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的較高機(jī)械精度不能用于所有期望的適用范圍。例如，具有空氣支承件的旋轉(zhuǎn)設(shè) 備只能W有限的傾斜力矩負(fù)載并且因此只能使質(zhì)量不太大的工件旋轉(zhuǎn)。
[0010] 作為備選或補(bǔ)充，可W通過坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差，其中，將校準(zhǔn)體或校 準(zhǔn)體設(shè)備布置在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的可旋轉(zhuǎn)部分上(例如放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上)并且進(jìn)行測(cè)量。然而，測(cè) 量旋轉(zhuǎn)設(shè)備相對(duì)于所有六個(gè)可能的運(yùn)動(dòng)自由度的誤差很耗時(shí)。在精確度要求較高時(shí)，例如 在旋轉(zhuǎn)設(shè)備經(jīng)歷溫度波動(dòng)時(shí)，必須重復(fù)校準(zhǔn)。同理適用于將工件可旋轉(zhuǎn)地保持在機(jī)床加工 區(qū)域中的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。在運(yùn)種情況下，用于校準(zhǔn)的耗費(fèi)與坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)相比通常更大，因?yàn)樵?坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域中通?？蓪⒆鴺?biāo)測(cè)量?jī)x用于校準(zhǔn)，所述坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在之后也進(jìn)行工件測(cè) 量。
[0011] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種用于在確定工件的坐標(biāo)或者在加工工 件時(shí)減小旋轉(zhuǎn)設(shè)備的誤差的方法，所述方法需要較少的測(cè)量技術(shù)耗費(fèi)和構(gòu)造設(shè)計(jì)耗費(fèi)來將 旋轉(zhuǎn)設(shè)備誤差保持得較小。尤其是之前已經(jīng)描述的測(cè)量工件或加工工件的方法應(yīng)能夠在較 少的耗費(fèi)下實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題還在于，提供一種用于執(zhí)行所述方法的設(shè)備。
[0012] 本發(fā)明從運(yùn)種認(rèn)知出發(fā)，即，用于坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和機(jī)床的旋轉(zhuǎn)設(shè)備在很多情況下具 有不同的誤差源，所述誤差源對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的總誤差做出不同的誤差貢獻(xiàn)。運(yùn)些不同的誤差 貢獻(xiàn)尤其是平移誤差，也就是旋轉(zhuǎn)軸線在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間沿直線方向運(yùn)動(dòng)，和旋轉(zhuǎn)誤差，也就 是旋轉(zhuǎn)軸線根據(jù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的可相對(duì)彼此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件的旋轉(zhuǎn)位置相對(duì)于不變的理想旋 轉(zhuǎn)軸線不同程度地傾斜和/或W不同方式傾斜于理想旋轉(zhuǎn)軸線地延伸。不同的誤差貢獻(xiàn)尤 其根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量裝置或機(jī)床的加工工具相對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的工作位置和工作定向相互抵消 或者增強(qiáng)。
[0013] 此外，本發(fā)明所基于的認(rèn)知是，在某些工作位置和工作定向中的單個(gè)誤差源對(duì)測(cè) 量誤差或者對(duì)工件加工不產(chǎn)生影響或者影響小于在其它工作定向和工作位置中的影響。例 如旋轉(zhuǎn)設(shè)備的實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線可能圍繞垂直于理想旋轉(zhuǎn)軸線延伸的坐標(biāo)軸擺動(dòng)。在此，擺動(dòng) 角(實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線與理想旋轉(zhuǎn)軸線之間的角)可能在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間改變。在沿所 述坐標(biāo)軸延伸的工作定向中測(cè)量或加工工件時(shí)，由旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)的工件的位置不會(huì)由于所 述誤差源而改變。但相反，由于所述誤差源（也就是由于擺動(dòng)運(yùn)動(dòng))使工件沿垂直于理想旋 轉(zhuǎn)軸線并且垂直于所述坐標(biāo)軸延伸并且不與坐標(biāo)軸相交的方向的位置改變。根據(jù)與擺動(dòng)運(yùn) 動(dòng)的中屯、的軸向間距(所述軸向間距沿理想旋轉(zhuǎn)軸線的方向確定），所述誤差源的誤差增強(qiáng) 或減弱。
[0014] 按照本發(fā)明建議，將工件布置在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的 一部分使工件旋轉(zhuǎn)。此外，使用測(cè)量工件表面的坐標(biāo)的坐標(biāo)測(cè)量裝置。坐標(biāo)測(cè)量裝置并排地 定位于相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線的不同位置上并且分別當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量裝置處于旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)些位置 之一時(shí)通過旋轉(zhuǎn)設(shè)備使工件旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)期間，坐標(biāo)測(cè)量裝置尤其是掃描地分別測(cè)量工件 表面的走向（Verlauf),也就是在使用觸覺探測(cè)的坐標(biāo)測(cè)量裝置的情況下，總是在坐標(biāo)測(cè)量 裝置與工件表面之間存在接觸。備選地，在使用光學(xué)傳感器的情況下，在工件的表面運(yùn)動(dòng)經(jīng) 過測(cè)量區(qū)域期間，分別在測(cè)量裝置的測(cè)量區(qū)域內(nèi)檢測(cè)表面走向。其它測(cè)量方法也是可行的， 例如坐標(biāo)測(cè)量裝置可W具有測(cè)量其與工件表面之間的距離的距離傳感器。距離傳感器例如 電力地(例如按照電容式或電感式測(cè)量原理)或者觸覺地(例如氣動(dòng)式或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)地)或者 光學(xué)地(例如通過運(yùn)行時(shí)間測(cè)量或者通過立角測(cè)量)進(jìn)行測(cè)量。
[0015] 在任何情況下，在通過旋轉(zhuǎn)設(shè)備使工件旋轉(zhuǎn)期間測(cè)量工件表面的走向。由坐標(biāo)測(cè) 量裝置測(cè)量的表面走向的測(cè)量值可W在表面走向上連續(xù)地或者沿表面走向的方向彼此相 間隔地進(jìn)行記錄，例如與坐標(biāo)測(cè)量裝置在工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間工作的掃描頻率相應(yīng)地進(jìn)行記 錄。然而在任何情況下，當(dāng)走向測(cè)量結(jié)束時(shí)，存在關(guān)于表面走向的信息。
[0016] 在本說明書的此處和它處，對(duì)工件的測(cè)量或者對(duì)工件旋轉(zhuǎn)期間表面走向的測(cè)量 (或相反在測(cè)量期間的旋轉(zhuǎn))也可W理解為W下情況，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總是被一再中斷并且坐標(biāo) 測(cè)量裝置在停歇狀態(tài)下測(cè)量工件表面的走向的區(qū)域或者點(diǎn)。當(dāng)然根據(jù)通過坐標(biāo)測(cè)量裝置測(cè) 量表面的方式，也可W不停歇地在旋轉(zhuǎn)期間進(jìn)行測(cè)量。
[0017] 如提到的那樣，坐標(biāo)測(cè)量裝置在其測(cè)量表面走向期間處于相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的某個(gè)確 定位置上。在此指的是相對(duì)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的周向的位置。因此，坐標(biāo)測(cè)量裝置為了測(cè)量工件 表面走向而依次分別定位在其上的不同的位置沿周向彼此不同。因此例如，相應(yīng)的周向位 置可W通過旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行說明，所述旋轉(zhuǎn)角說明與關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線固定的角位置之間的角間 距。運(yùn)個(gè)固定的角位置在旋轉(zhuǎn)設(shè)備和工件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)不一起旋轉(zhuǎn)，而坐標(biāo)測(cè)量裝 置在同樣固定的周向位置上測(cè)量表面的走向。
[0018] 根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量裝置的測(cè)量原理，坐標(biāo)測(cè)量裝置沿徑向關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線的位置可W根 據(jù)工件表面的走向改變，坐標(biāo)測(cè)量裝置在工件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)期間測(cè)量所述位置。運(yùn)尤 其是W下情況，即，表面的走向不是關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或者圓周狀的并且坐標(biāo)測(cè)量裝 置接觸式地探測(cè)表面W測(cè)量表面。而光學(xué)傳感器或者距離傳感器能夠例如由關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線 固定的徑向位置出發(fā)測(cè)量表面的走向。
[0019] 對(duì)表面走向的測(cè)量理解為測(cè)量至少一個(gè)測(cè)量參數(shù)(例如與表面的間距或者表面上 的被測(cè)量點(diǎn)的至少一個(gè)坐標(biāo)），其中，測(cè)量信號(hào)至少也包含運(yùn)樣的信息，即，由所述信息能夠 確定工件表面沿所述走向的坐標(biāo)。然而，因?yàn)樾D(zhuǎn)設(shè)備通常不W在空間中固定的旋轉(zhuǎn)軸線 進(jìn)行理想的圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是具有提到的平移的和旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)誤差，所W坐標(biāo)測(cè)量裝置 在測(cè)量表面走向期間產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)包含關(guān)于表面走向的錯(cuò)誤信息。
[0020] 本發(fā)明的認(rèn)知是，盡管來自表面走向測(cè)量的測(cè)量信號(hào)由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)誤差而 是有錯(cuò)的，但也包含關(guān)于運(yùn)動(dòng)誤差的信息。因此，如果在不同的周向位置分別測(cè)量了表面走 向，則所測(cè)量的不同走向的總信息包含關(guān)于無運(yùn)動(dòng)誤差的表面實(shí)際走向的信息和關(guān)于運(yùn)動(dòng) 誤差的信息。由于在不同的周向位置上測(cè)量表面走向，所W運(yùn)些不同的信息可W彼此分開 并且由此確定。在此優(yōu)選的是，當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量裝置置入另一周向位置時(shí)，工件相對(duì)于其所處的 并且使其圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備部分的位置和定向保持不變。因此，當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量裝 置在不同的周向位置中分別測(cè)量工件表面走向時(shí)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備部分和工件彼此也處于相同的 位置和定向中。運(yùn)具有的優(yōu)點(diǎn)是，工件表面走向的位置總是沿周向配屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備部分的 相同位置并且工件W相同方式使旋轉(zhuǎn)設(shè)備負(fù)載。也不會(huì)因虛擬的旋轉(zhuǎn)軸線在與之前不同的 位置和/或W不同的定向穿過工件例如產(chǎn)生誤差。由于只有坐標(biāo)測(cè)量裝置的周向位置改變， 所WW簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了關(guān)于運(yùn)動(dòng)誤差的信息與關(guān)于表面走向的信息的分離。
[0021] 尤其可W運(yùn)樣預(yù)設(shè)或者運(yùn)樣選擇不同的周向位置，使得其處于周向的不同部段 內(nèi)，也就是處于圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的360°的總旋轉(zhuǎn)角范圍的不同部段內(nèi)。分別只具有不同周向 位置之一的部段相互不重疊并且例如可W分別為至少90°并且一般來說相當(dāng)于總旋轉(zhuǎn)角范 圍的一部分，其通過總旋轉(zhuǎn)角范圍除W不同周向位置的數(shù)量得到。如果例如在S個(gè)周向位 置上進(jìn)行測(cè)量，則S個(gè)部段中的每一個(gè)在120°的角范圍上延伸。在四個(gè)周向位置的情況下， 四個(gè)部段中的每一個(gè)在90°的角范圍上延伸。由于周向位置處于不同的部段內(nèi)，所W確保了 得到關(guān)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)誤差的不同信息。運(yùn)例如在全部=個(gè)周向位置相互臨近的情況下 不能實(shí)現(xiàn)或者不能W充分的程度實(shí)現(xiàn)。
[0022] 在所述部段內(nèi)部，優(yōu)選運(yùn)樣選擇周向位置，使得不同的周向位置彼此具有最小角 間距，其例如是部段延伸的角范圍的=分之一或者二分之一。運(yùn)尤其實(shí)現(xiàn)了，周向位置彼此 不具有相同的角間距，但仍處于不同的部段內(nèi)。在相鄰周向位置之間W不相等的角間距布 置的不同周向位置的優(yōu)點(diǎn)是，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間可W周期性地檢測(cè)有效運(yùn)動(dòng)誤差。
[0023] 除了兩個(gè)相鄰周向位置的角間距之一，相鄰周向位置的所有角間距優(yōu)選均與在周 向位置圍繞旋轉(zhuǎn)軸線均勻分布時(shí)得到的恒定角間距(在=個(gè)周向位置時(shí)例如是120°的恒定 角間距)有偏差。所述偏差例如至少是部段的角范圍的八分之一，優(yōu)選至少六分之一。因此， 如果部段同樣是120°，最小角間距是120°的=分之一，也就是40°，并且兩個(gè)所選角間距與 恒定角間距相差至少八分之一，也就是15°，則運(yùn)=個(gè)周向位置例如可W處于角位置60° (在 處于0°至120°之間的第一部段內(nèi)）、143° (在處于120°至240°之間的第二部段內(nèi)）和267° (在 處于240°至360°之間的第=部段內(nèi)）上。