旋转工作台补偿制造技术

本发明专利技术涉及旋转工作台补偿。公开了CMM系统及其校准方法以及计算机程序产品。该系统包括CMM、旋转工作台和旋转装置。CMM系统配置为通过确定夹具的6自由度姿态而被校准。夹具可安装到旋转工作台或旋转装置的至少一个部件，使得夹具的当前姿态与旋转工作台相对于CMM的当前姿态相关联。旋转工作台可移动到多个姿态中，并针对每个姿态测量夹具的6自由度姿态。基于与旋转工作台的姿态相关联的角度生成误差图，并基于误差图生成从CMM坐标系到与旋转工作台相关联的零件坐标系的坐标变换。计算机程序产品的程序代码存储在机器可读介质上或由包括程序代码段的电磁波实施，并具有计算机可执行指令，该指令当在根据本发明专利技术的CMM系统上运行时执行根据本发明专利技术的方法。运行时执行根据本发明专利技术的方法。运行时执行根据本发明专利技术的方法。

【技术实现步骤摘要】
旋转工作台补偿


[0001]本专利技术涉及一种坐标测量机(CMM)系统，该坐标测量机系统通过利用传感器感测物理对象表面上的特征来测量该物理对象的几何形状。特别地，本专利技术涉及一种被配置为执行校准方法的CMM系统以及用于坐标测量机(CMM)系统的校准方法。此外，本专利技术涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有待存储在坐标测量机(CMM)上的程序代码或用于实现校准方法的计算机数据信号。

技术介绍

[0002]坐标测量机(CMM)是一种被配置为测量对象的表面上的某些点的3D坐标的机器。CMM在各种工业领域中都比较重要，并且例如应用于生产测量技术，以例如确定所制造的工件的几何形状与所述工件的理论模型的偏差，并且勘测该偏差是否在限定的容许迹线内，以检测制造缺陷，确定某个生产过程中的可实现精度，或者测量在例如涡轮叶片之类的对象的寿命期间发生的磨损和磨耗。对象可以例如是适于用CMM测量的工件。
[0003]通常，CMM具有主结构、探测系统和数据收集和数据处理系统。在工业领域中(例如在生产测量技术中)使用的CMM的一个示例是3轴CMM。3轴CMM被构建成使得主结构包括三个运动轴线，以便使CMM能够测量对象的3D坐标。主结构通常包括：具有测量工作台的基座，对象定位在该测量工作台上；可移动框架，该可移动框架安装到基座，使得该可移动框架可以沿着第一轴线移动；一部件，该部件在本文中被称为臂，该部件以可移动的方式安装到可移动框架，并且可沿着名义上垂直于框架的第一移动轴线的第二轴线移动。该臂包含探测系统，比如包括传感器的扫描头，该探测系统可沿着第三轴线移动，例如其中第三轴线名义上垂直于CMM的第一移动轴线和第二移动轴线，从而允许传感器沿着三个轴线移动并且使得CMM能够测量对象的3D坐标。马达通常被构建到CMM中以用于驱动每个轴线。数据收集和处理系统通常包括机器控制器、台式计算机和应用软件。
[0004]进一步详细说明的构造设计得以实现，上述3轴变体仅被视为CMM的最常见设计和原理的示例。
[0005]为了测量对象的表面变化，使用了探头，探头例如包括触觉传感器或光学传感器。触觉传感器例如可以被实现为弹簧加载的钢球或红宝石球触针，并且在本领域的一些现有技术文献中也被称为探针。当触觉传感器接触对象的表面时，触针被偏转并将X、Y和Z坐标信息发送到计算机。另一种测量方法是沿着对象的表面拖动触觉传感器并且以指定间隔测量3D坐标，这些触觉传感器也被称为扫描探针。例如，该扫描方法在精度方面以及大多数时候在效率方面也优于常规接触式探针方法。此外，光学传感器(例如激光传感器)可用于距离测量并因此确定对象的3D坐标。
[0006]CMM通常组合不同类型的传感器，并且因此被称为多传感器测量机器。这可以包括各种类型的传感器，例如触觉传感器或光学传感器，包括例如激光器、相机、视频、白光传感器，以提供被称为多传感器测量的测量。取决于对象的几何形状，可有利地使用不同的传感器用于测量。
[0007]然而，利用CMM的上述传统3轴模型可能难以或不可能到达所述对象的表面上的一些点，从而减慢测量过程或者甚至使一些3D点的测量不可能。在许多情况下，需要从所有侧面访问待测量的对象，并且也难以到达需要测量的对象的点。为了简化对象的每个3D点的可达性并且加速测量过程，例如可以采用5轴探头。特别是在检查传感器需要多次改变的零件(诸如非常小且复杂的零件)时出现困难。这样的零件以及曲轴、凸轮轴、螺杆式压缩机、涡轮盘和叶盘可以例如使用旋转工作台测量。由于减少了测量量，在CMM上使用旋转工作台可以增加CMM容量、减少检查时间并且提升应用范围。代替使用单个旋转工作台，也可以使用堆叠的旋转工作台，例如将待测量对象相对于传感器对准。例如，如果存在多传感器系统，则可以使用旋转工作台来允许利用传感器对工件表面进行垂直探测，这些传感器相对于CMM轴线中的一个轴线固定地对准。此外，如果例如传感器中的一个传感器是光学传感器，例如相机中的光学传感器，则旋转工作台还允许将待测量对象相对于相机的焦平面对准。
[0008]尽管例如关于对象的可接近性方面具有积极效果，但是被添加到CMM或CMM系统(诸如例如旋转工作台)的每个附加轴线都是另一个潜在的误差源。CMM或CMM系统经受各种误差诱发因素，例如动态热应力和机械应力、变化湿度、不一致和非线性材料响应以及不适当的人类输入。因此，可能出现索引误差、摆动误差和偏心误差以及由于安装到旋转工作台的对象的重量引起的误差。因此，在现有技术中，旋转工作台的误差图或者在工厂校准，其中误差图可以是任何明确定义的函数，该函数针对旋转工作台的每个角度位置提供对象的校正3D坐标，或者旋转工作台被构造成是长期稳定的，从而导致技术支出增加。构造旋转工作台使得误差减小，这意味着构造必须长期稳定以避免频繁的重映射，并且足够硬以便避免由于对象(例如工件)的负载而引起测量误差，从而导致高成本。
[0009]为了校正误差，从相对于待测量对象固定的零件坐标系和与CMM相关联的CMM坐标系进行的相应等距变换必须是已知的。与旋转工作台的已知姿态一起，然后可以确定对象坐标。根据现有状态，可以从已知的几何机械设置、CMM系统内的一个或多个旋转工作台的定位以及每个旋转工作台中的旋转位置反馈导出变换参数。在现有技术中，通常对各个部件(例如，旋转工作台旋转接头)的误差图进行工厂校准。然而，由于系统误差(例如，平移误差和角度误差)，旋转工作台的测量精度受到限制。换句话说，确定CMM的误差和旋转工作台的误差，然而，没有考虑由旋转工作台和CMM的机械连接引起的测量不精确度，并且因此仍然存在这种测量不精确度。

技术实现思路

[0010]因此，本专利技术的目的是提供一种包括旋转工作台的坐标测量机(CMM)系统以及允许改进精度和总体测量稳健性的方法。
[0011]此外，本专利技术的目的是提供一种包括旋转工作台的坐标测量机(CMM)系统以及方法，与现有技术相比，该系统和方法降低了技术支出和/或提供了更高的测量精度。
[0012]本专利技术的另一个目的是提供一种包括旋转工作台的坐标测量机(CMM)系统以及方法，即使向系统添加进一步的旋转轴线并因此添加误差源，该系统和方法也能够改进测量精度。
[0013]通过实现如下方面的特征中的至少一部分特征来实现这些目的。在其它方面中描
述了以替代或有利的方式进一步发展本专利技术的特征。
[0014]特征部分
[0015]本专利技术涉及一种方法，该方法允许用户简单地且频繁地自主校准CMM系统中的旋转工作台和/或旋转装置。因此，本专利技术的CMM系统和方法通过频繁地生成误差图来提供对误差的频繁调节的可能性。在该误差图中，通过测量夹具在各种旋转角度处的偏差，利用CMM的传感器分别确定夹具的6自由度姿态的3D坐标，并且由此产生从零件坐标系(相对于旋转工作台固定的坐标系)到CMM坐标系(相对于CMM的基座固定的坐标系)的坐标变换，来配准夹具的真实测量的6自由度(6个DOF)姿态与夹具的理论上假设的6自由度的偏差。本专利技术的CMM系统以高精度生成从零件坐标系到C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能操作以测量对象(5)的坐标测量机系统，所述坐标测量机系统包括：
·
坐标测量机，该坐标测量机与相对于所述坐标测量机固定的坐标测量机坐标系(13)相关联，所述坐标测量机包括计算单元和用于确定对象(5)的三维坐标的至少一个传感器(17)，特别是触觉传感器或光学传感器；
·
旋转工作台(2)，所述旋转工作台具有用于保持对象(5)的装置(3)并与零件坐标系(4)相关联，所述零件坐标系相对于所述旋转工作台(2)固定；
·
旋转装置，所述旋转装置被配置为通过旋转移动将所述旋转工作台(2)移动到相对于所述坐标测量机的不同姿态中；
·
夹具，所述夹具被配置为利用所述坐标测量机的所述至少一个传感器(17)确定所述夹具的6自由度姿态，并且所述夹具相对于所述旋转工作台(2)布置成使得所述夹具的当前姿态与所述旋转工作台(2)相对于所述坐标测量机的当前姿态信息相关联，特别地其中所述夹具是所述旋转工作台(2)的一部分或能安装到所述旋转工作台(2)，其特征在于，所述坐标测量机系统提供限定一过程的校准程序，在该过程中，通过设置关于所述旋转移动的不同角度位置将所述旋转工作台(2)移动到多个姿态中，并且所述校准程序被配置为自动：
·
针对所述旋转工作台(2)的所述多个姿态中的每一个姿态，利用所述坐标测量机测量所述夹具的所述6自由度姿态；
·
基于与所述不同角度位置相关联的角度和所述夹具的相关联的所述6自由度姿态，利用所述计算单元生成误差图；以及
·
利用所述计算单元基于所述误差图确定从所述坐标测量机坐标系(13)到所述零件坐标系(4)的坐标变换。2.根据权利要求1所述的坐标测量机系统，其特征在于，所述旋转装置被配置为：ο单轴装置，其中，所述旋转工作台(2)被安装到基座(1)，所述基座(1)被安装到所述坐标测量机，并且不同角度位置的设置包括相对于所述基座(1)围绕第一旋转轴线(6)旋转所述旋转工作台(2)；或者ο双轴装置，其中，所述旋转工作台(2)经由居间旋转臂(10)安装到基座(1)，其中：ο所述旋转臂(10)被安装到所述基座(1)并且能相对于所述基座(1)围绕第一旋转轴线(6)旋转；ο所述旋转工作台(2)被安装到所述旋转臂(10)并且能围绕第二旋转轴线(12)旋转，其中，所述旋转臂(10)被构造成使得所述第一旋转轴线(6)和所述第二旋转轴线(12)名义上彼此垂直，其中，将所述旋转工作台(2)移动到多个姿态中包括分别围绕所述第一旋转轴线(6)或所述第二旋转轴线(12)旋转所述旋转臂(12)和/或所述旋转工作台(2)。3.根据权利要求2所述的坐标测量机系统，其特征在于，
·
所述坐标测量机系统包括软件，所述软件已经存储了由依赖角度矩阵CT描述的坐标变换，其中，所述旋转移动被假定为由理想地对准的完美旋转轴线(6，12)提供；
·
其中，对于所述校准程序，由依赖角度矩阵描述从所述坐标测量机坐标系(13)到所
述零件坐标系(4)的所述坐标变换，该依赖角度矩阵将所述旋转轴线(6，12)的误差考虑在内：ο如果根据所述单轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CT
α
，其中α是所述旋转工作台(2)围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转角度；或者ο如果根据所述双轴装置配置所述旋转装置，则该矩阵为CT
α,β
，其中α是所述旋转臂围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转角度，并且β是所述旋转工作台(2)围绕所述第二旋转轴线(12)的旋转角度；并且
·
其中，通过分别提供误差图或将所述坐标变换CT
α
或CT
α,β
分别嵌入到所述软件中。4.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，不同种类的重量被安装到所述旋转工作台(2)或安装到所述旋转装置的一部分，其中，所述坐标测量机被配置为针对不同的重量来测量特别地自动地测量所述夹具的所述6自由度姿态，其中，对于每个重量，针对所述不同角度位置的至少一个子集来测量所述夹具的所述6自由度姿态，并且所述坐标测量机被配置为向所述坐标转换提供依赖重量校正，特别地，其中，在根据所述双轴装置配置所述旋转装置的情况下，所述不同角度位置的所述子集包括所述旋转臂(10)围绕所述第一旋转轴线(6)的旋转和/或所述旋转工作台(2)围绕所述第二旋转轴线(12)的旋转。5.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，使用谐波展开、多项式展开或查找表来实现所述误差图。6.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述夹具是能安装到所述旋转工作台的模块化部件，或者所述夹具被固定地安装到所述旋转工作台。7.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，在所述校准程序期间所述夹具是几何稳定的，或者所述夹具在所述校准程序期间的机械特性和行为被存储在所述计算单元上并加以考虑。8.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述坐标测量机包括用于确定对象(5)的三维坐标的多个传感器(17)，其中，所述多个传感器(17)中的一个传感器特别是触觉传感器、光学传感器或相机。9.根据前述权利要求中任一项的坐标测量机系统，其特征在于，所述夹...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：