一种用于校准多轴计量系统的几何形状的方法，其中所述系统包括具有多轴零件定位装置的机器，并且在机器内嵌有波阵面测量量具。该量具被用来确定平动轴和转动轴之间、零件表面坐标和机器坐标之间、以及机器坐标和嵌入式量具坐标之间的空间关系，校准机器和嵌入式量具的各个分量，并且用于将自身对准机器。完整的方法包括以下步骤：粗略地对准机器转动轴和它们各自的平动轴，并且为转动轴设置标称零点；将嵌入式量具主机架对准机器轴线；将嵌入式量具的焦点对准到主轴轴线上；如此对准之后，确定转动轴之间的空间偏移；精确地对准机器转动轴和它们各自的平动轴；以及为转动轴设置精确的零点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于表面和波阵面计量的方法和装置；更具体，涉及用于测量相对于 机器运动轴和测量设备的表面位置的方法；最具体地，涉及用于集成计量系统的几何形状 校准的方法，其中所述计量系统包括多轴CNC机械定位装置和嵌入式波阵面测量量具。
技术介绍
在单点扫描测量系统的应用和加工中，实现精确定位是极为重要的。敏感方向上 的定位误差转换为一对一的切削/测量误差。结果，人们将大量的努力投入到精确定位系 统的制造、用于测量该精确度的方法、以及用于补偿诸如轴线不垂直等运动偏离的装置。这 些方法可以包括位于外部计量框架上的激光位置测量装备。利用这种方法可以实现微米水 平或更高的定位精度。从机器设计方面、以及计量装备的成本方面来说，这些方法可能会非常昂贵。为了 获得最好的效果，这些方法还经常要求高水平的环境控制。此外，这些方法通常仅被用在平 移运动(X-Y-Z)上。如果在这样的机器中使用主轴，则主轴通常被用于高速转动切削刀具， 或者相对于切削刀具转动零件。扫描测量工具，比如轮廓仪和坐标测量机(CMMs)等，很少 具有转动轴。这些工具通常用于近似旋转对称表面的方位角扫描。然而，波阵面测量量具(比如斐索干涉仪或Hartmarm-Shack波阵面传感器)以与 机械刀具和扫描测量装置不同的方式工作。这种量具在表面_通常整个测试表面_上采集 多个测量点，这与沿着测试表面扫描的单个定位点有所不同。结果，在波阵面测量量具中所 需要的零件定位和工作台对准条件是相当地粗糙。波阵面测量量具的纵向测量范围通常比仿形设备的小。结果，零件的定位必须比 仿形机的定位要更精确，并且经常需要仿形机所没有的倾斜动作。然而，由于波阵面测量设 备提供关于零件相对于量具的位置的自反馈，因此运动的精确性并不重要。而且，相比于仿 形机而言，波阵面测量量具的数据获取时间要短若干秒，或短几分钟或更长时间。对于波阵 面测量量具而言，零件和测量量具的长时间的绝对稳定性变得不再那么重要。另外的关键 差别是仿形机在测量时需要动作。总而言之，仿形机和高精度CNC加工中心通常需要在三个平动轴上的高精度的动 态运动。波阵面测量量具通常需要对零件倾斜定位，但是缺少高的精度和动态条件。在包括波阵面测量量具和机械定位装置(尽管对于一般用途不是必需的)的计量 系统中的精确定位，具有几个用途。有些实例包括校准方法，其采用多个零件动作，测量相 对于波阵面测量量具倾斜一定角度的零件或系统，以及在测试表面上不同位置进行的多次测量的子开孔缝合。这一应用比常用系统需要更精确的动作。现有技术中已知的是，用于仿形机和高 精度机加工的方法是利用指示器量具、激光位移量具以及其他类似装置来对准和校准移动 的平动轴线。但是该校准是非常昂贵和花费时间的，因此并不能容易地应用于波阵面测量 计量系统所必需的旋转轴上。此外，这种方法对于嵌入式量具相对于机械轴和工作台、特别 是旋转轴的对中没有公开任何内容。已知的是，通过手动对准或填隙来测量零件楔角/锥 度和对中，或相对于主轴轴线消除它们，但是这需要另外的装备和/或冗长的步骤。所需要的是一种用于集成计量系统的几何形状的校准的方法，该方法利用被嵌入 整个系统中的波阵面测量量具。还需要的是用于将特定的零件表面坐标定位到特定的嵌入式量具坐标上的方法。还需要的是用于测量安装好的零件相对于主轴轴线的楔角和/或偏心性的方法。本专利技术的主要目的是测量在整个计量系统内的波阵面测量量具、测试零件表面、 以及机械轴线之间的几何关系，以便获得对于波阵面测量所必须的精度。本专利技术的另一目的是在准备移动测试零件表面时校准和对准计量系统，从而使得 特定的零件表面坐标定位在特定的嵌入式量具坐标上，而不需要任何另外的昂贵计量设 备、嵌入式计量系统或耗费时间的对准。本专利技术的又一目的是测量零件相对于主轴轴线的楔角和/或偏心性，进一步精确 地对中零件。
技术实现思路
简单地说，本专利技术提供一种用于校准和对准计量系统的方法，其中所述系统包括 具有多轴零件定位装置和嵌入式波阵面测量量具的机器。在精确地确定平移和转动轴线的 空间关系、零件表面坐标和机器坐标之间的空间关系、机器坐标和嵌入式量具坐标之间的 空间关系时，在校准机器和嵌入式量具的各个部件时，以及在对准量具和机器时，该量具是 整体元件。这种整体对准在利用多个重叠的子开孔测量的数学缝合确定测试零件的超开孔 表面特征的过程中是有用的。在最宽泛的形式下，该方法包括使用嵌在多轴零件定位机器中的波阵面测量量 具，其中所述机器位于集成计量系统内，以便直接帮助校准和对准机器的部件、量具、测试 表面及其各种组合。组合的量具和机器的重要应用是在主轴轴线对准步骤中，在此称之为“零件安 装”(part-on-mount)步骤，其中测试零件被安装在机器主轴上的工作台或卡盘上，并且 在主轴上且在量具波阵面中转动，以便产生多个X和Y测量值。对这些测量值进行处理，以 便确定主轴、零件表面和嵌入式量具的几何相对关系。当在量具内采用球面光学，例如用于 测量球形测试表面时，主轴轴线与量具聚焦点(量具焦点)相对准。当在量具内采用平面 光学时，主轴轴线与量具波阵面的传播方向相对准。用于校准和对准计量系统的所有部件的完整方法包括下述步骤a)粗略地使机器旋转轴与它们的各个平动轴对准，并且为转动轴设置标称零点；b)将嵌入式量具主机架对准机器轴线；c)将嵌入式量具焦点定位在A旋转轴(主轴)上(为进行准直测试而平行于主轴6轴线；注意只要聚焦元件改变，就应该重复该步骤)；d)当对准时，确定旋转轴之间的空间偏移，以及电机步进尺寸(如果还没有精确 知道的话)；e)精确地对准机器旋转轴及其各自的平动轴，并且利用嵌入式量具为旋转轴设置 精确的零点。附图说明通过结合附图阅读以下的说明书，将更加明显可见本专利技术的前述以及其他目的、 特征和优点，及其目前优选的实施例，在附图中图1是根据本专利技术的多轴计量系统的立体图；图2a是图1所示设备所实施的三个旋转轴和三个平动轴的立体简图；图2b是图2a所示旋转轴之间的偏移的立体简图；图3是表示各种球面测试零件(图3a_3c)的共焦/零定位的示意图，其中测试零 件被定位成测试表面的标称曲率中心与嵌入式量具显现的球面波阵面的中心接近匹配；图4是表示各种平面测试零件(图4a_4b)在嵌入式量具发出的准直光场中的定 位的示意图，其中测试零件被定位成零件表面法线平行于光场的传播方向；图5a_5b是表示根据本专利技术的测量系统的可堆叠元件的示意图，包括5a)设置 在嵌入式量具内的球面量具聚焦元件(例如在嵌入式量具是斐索干涉仪的情况下的传动 球)；5b)固定在围绕轴线B可转动的工作台上的主轴轴线A ;5c)设置在嵌入式量具内的传 动平板；5d)设置在底座上的任意位置处的球面测试零件；以及5e)具有楔角并且设置在底 座上的平面测试零件；图6a是表示图5d的球面测试零件和底座的示意图，该零件和底座被设置在主轴 轴线A上，以便围绕图5b所示轴线B转动；该组件被设置在如图5a所示的用于测量球面零 件的嵌入式量具的测量范围内；图6b是表示图5e的平面测试零件和底座的示意图，该零件和底座被设置在主轴 轴线A上以便围绕图5b所示的轴线B转动；该组件被设置在如图5c所示的用于发射准直 光场的嵌入式量具的测量范围内；图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
US 2003-12-22 10/743,840一种用于对准波阵面测量量具和具有主轴轴线的机械定位系统的方法，包括以下步骤a)将拆掉聚焦元件的所述量具安装到所述机械定位系统上；b)调整所述机械定位系统的机械轴到所需的工作原点位置；c)将具有至少一个平坦表面的测试零件安置在所述主轴上；d)利用所述量具测量所述主轴(A)轴线和所述量具之间的角度未对准量；以及e)基于所述角度未对准测量值，相对于所述机械定位系统重新定向所述量具主机架，以便对准所述主机架和所述主轴轴线。2.根据权利要求1的方法，其中步骤d)包括零件安装步骤。3.一种用于校正和对准计量系统的方法，其中所述计量系统包括多轴机械定位系统和 嵌入式波阵面测量量具，以便精确地确定系统的平动轴和转动轴之间的空间关系，所述方 法包括下述步骤a)粗略地对准所述机械定位系统转动轴A，B和C以及所述各自的平动轴Z，Y和X，并 且对所述转动轴设置标称零点；b)将所述嵌入式量具的主机架对准所述机械定位系统；c)将所述嵌入式量具对准所述A转动轴(主轴)；d)当如此对准时，确定在所述转动轴之间的空间偏移；以及e)精确地对准所述机器转动轴和所述各自的平动轴，以便对所述转动轴设置精确的零点ο4.根据权利要求3的方法，其中，步骤b)包括下述步骤a)选择聚焦元件；b)将所述聚焦元件安装到所述嵌入式量具主机架上；c)将所述聚焦元件对准所述量具主机架的光学轴线；d)将具有至少一个曲线表面的测试零件安装到所述定位系统的主轴轴线上；e)利用所述量具确定在所述主轴和所述量具光学轴线之间的任何未对准；以及f)沿着所述机械定位系统的一个或多个平动轴移动所述测试零件，以便消除所述未对准。5.根据权利要求4的方法，其中，所述聚焦元件是传动球，而所述嵌入式量具是斐索干 涉仪。6.根据权利要求4的方法，其中，所述确定步骤包括零件安装步骤。7.根据权利要求3的方法，其中，所述嵌入式量具产生标称准直波阵面，并且其中步骤 b)包括下述步骤a)在所述准直波阵面中安装光学平板；b)将具有至少一个平坦表面的测试零件安装到所述定位系统的主轴轴线上；c)利用所述量具确定在所述主轴轴线和所述波阵面准直方向之间的任何未对准；以及d)移动所述机械定位系统的至少一个转动轴线，以便消除所述未对准。8.根据权利要求7的方法，其中，所述嵌入式量具是斐索干涉仪。9.根据权利要求7的方法，其中，所述确定步骤包括零件安装步骤。10.一种用于确定机器主轴轴线相对于嵌入式量具的坐标系统的横向未对准度以及测 试零件相对于所述主轴轴线的横向未对准度的方法，该方法用在包括多轴定位机器和处于 准直模式的嵌入式波阵面测量量具的计量系统内，所述方法包括以下步骤a)将具有至少一个平坦表面的测试零件安装到所述定位机器的主轴轴线上，使测试零 件暴露给所述量具波阵面，开口尺寸被完全包含在所述量具波阵面内；b)在所述主轴轴线的多个旋转位置处测量所述零件表面；c)从在每个主轴位置处的所述测量值中提取在量具坐标系统内的x_y坐标；d)对所述χ-y位置拟合圆；以及e)确定所述圆的中心和半径坐标，以便分别提供所述主...
【专利技术属性】
技术研发人员：保罗墨菲，乔恩弗里格，格雷格福布斯，
申请(专利权)人：QED国际科技公司，
类型：发明
国别省市：US
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