CN101896790A - 补偿由于测量机器的机床在工件载荷下变形引起的测量误差的方法及根据该方法操作的测量机器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种补偿测量机器(1)的测量误差的方法，该测量误差源自于待测量工件施加在机床上的载荷引起的机床(2)的变形，所述方法包括：第一采集步骤，在该步骤中采集与工件重量和工件在机床(2)上的搁置模式有关的数据；以及第二计算步骤，在该步骤中根据所述数据计算校正值。

Description

补偿由于测量机器的机床在工件载荷下变形引起的测量误差的方法及根据该方法操作的测量机器
技术领域
本发明涉及一种补偿测量机器的测量误差的方法以及根据所述方法操作的测量机器，该测量误差源自待测量工件施加在机床上的载荷所引起的机床变形。
背景技术
如公知的那样，测量机器通常设有固定底座或机床以及移动单元，该移动单元被设计成使一测量头根据坐标轴相对于机床在位于机床上方的测量空间内移动。移动单元通常包括沿相对于机床为纵向的轴线移动的主车架(carriage)，以及由主车架承载且可沿相应坐标轴移动的一个或多个车架。
机床可以是一体的，例如由花岗岩或铸铁制成，或者可以包括这样一组构件，所述构件彼此刚性固定以形成相当刚性的结构。机床通常具有两个功能：支撑和约束被测量的工件；以及沿机器的其中一个坐标轴定义用于移动单元的导向，尤其是用于机器主车架的导向。
前述类型的测量机器通常设有补偿几何误差的系统，即，设有补偿由于机器的构造缺陷而产生的测量误差的系统，这些构造缺陷例如为坐标轴的直线性误差、坐标轴之间的正交性缺陷等。
当前具有严格几何性质的补偿技术通常不考虑由于机床在待测量工件的重量下的弹性变形导致的测量误差。当待测量的工件具有相当大的重量时(例如，在硬模、引擎部件，大尺寸铸件的情形中)，所述误差可能是不可忽略的，且可能削弱机器精度。
发明内容
本发明的目的是提出一种补偿方法，所述方法将解决已知方法固有的缺点，并且尤其能够将由工件的重量导致的机床变形所引起的测量误差考虑在内。
前述目的是通过根据权利要求1的补偿方法实现的。
本发明还涉及根据所述方法操作的测量机器。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面结合附图以非限制性实例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
-图1是根据本发明方法操作的测量机器的示意透视图；
-图2是图1中机器的示意侧视图，其中无载荷；
-图3是图2中机器的示意侧视图，其中示意性地示出了由于将工件放置在机床上而导致的几何变形；
-图4示出了在机床上有载荷的情况下，机器主车架的纵摇旋转(pitch rotation)和横摇旋转(roll rotation)根据移动路径的变化；
-图5是机床的示意透视图，其示出了工件重量引起的变形；
-图6是本发明方法的方框图；以及
-图7是一测量方法的方框图，该测量方法使用利用本发明方法获得的校正的补偿映射(map)。
具体实施方式
参考图1，门座(portal)测量机器整体以1表示。现在就指出的是，形成本发明主题的方法可用于补偿不同架构(例如具有水平臂或支柱)的机器的误差。
机器1包括具有被设计成支撑待测量物体(未示出)的水平工作表面3的平面机床2，以及可相对于机床2沿坐标轴移动的单元4。
单元4包括可相对于机床2沿水平轴Y移动的主门座车架5(下面为了简洁，称为“门座5”)。门座5设有一对立柱(upright)6和7以及在立柱6和7之间延伸的横梁8，横梁8平行于水平轴X且垂直于轴Y。
单元4还包括由横梁8承载并可在横梁上沿轴X移动的辅车架9，和由辅车架9承载并可相对于该辅车架沿与轴X和Y正交的竖直轴Z移动的测量柱(measurement column)10。
接触探针11可通过两轴连接设备(articulation device)(未示出)安装在柱10的底端。
门座5、车架9、和柱10可在由测量和控制单元12控制的相应电机(未示出)的控制下移动。该测量和控制单元连接到与机器轴以及与探针11关联的位置传感器(未示出)，以便接收来自探针的信号，从而能够采集机器轴的瞬时坐标。
机器1装配有补偿几何误差的系统(该系统本身是已知的)。补偿是基于存储的映射13进行的，该映射是在无载荷条件下经传统类型机器的动力学模型确定的。
参考图1，工作表面3上标识有用于机器的几何补偿的固定参考设定位置(reference setting position)REF。还定义了笛卡尔参考系xyz，其具有平行于机器的轴X、Y、Z的轴和位于点REF的原点。
补偿映射是以已知方式通过检测沿轴x、y、z以彼此之间有一定距离的方式适当设置的点处的误差参数而获得的，因此这里不做详细说明。例如用干涉仪(interferometer)针对前述的每个点执行相对于点REF的位置差分(differential position)测量，以及例如用位于点REF的固定的倾斜仪(inclinometer)和安装在可移动单元4上的倾斜仪执行倾斜差分(differential inclination)测量。
根据本发明，提出了一种额外的补偿方法，其还能够确定由于待测量的工件放置在机床2上而导致的机床变形的影响。为了计量目的，所述影响基本导致了轴Y的几何构型变化，即，导致了门座5的构造随其沿移动路径的位置变化而产生变化。通过图3与图2的比较示意性地突出显示了所述变化，在图3中机床2上载有重量W，在图2中机床未受加载。
轴Y的几何变化类似于由机器的几何误差导致的变化，所述几何误差包括在机器1的几何补偿映射13中，并且是在无载荷的情况下确定的。因而，例如使用有限元数值模拟模型计算的由于重量导致的空间方位角(attitude)变化，可作为附加校正输入到现有补偿映射中。
以该方式，可获得所检查的变形现象的补偿。
可例如以如下一种方式在机器中进行数值模拟：
·在机器1的测量和控制单元12中结合限元模型和相应计算程序；在每次放置工件时，起动并运行计算程序；以及
·在机器1的测量和控制单元12中存储包含机床变形数据的映射，这些数据是预先一次性(once and for all)对一预定义组载荷情况计算得到的。
下面描述上述第二实施方式实施例的例子。
根据假设，假定机床2变形引起的门座5的主空间方位角变化是绕水平轴(x和y)的旋转，而其他分量被忽略。然而，该补偿方法应被当作通用的并可用于任何变形分量。
绕轴x和y的旋转被称为纵摇(pitch)和横摇(roll)，其对应于如上所述惯常使用的几何补偿所考虑的旋转，并且是参照相对于点REF固定的参考系x、y、z来理解的。
对于机床2上的一组基本载荷条件，可以使用有限元计算建立这样一种映射，所述映射包含根据门座5沿移动路径的位置变化的门座的纵摇旋转和横摇旋转值。
例如，作为基本载荷条件，可以假定，在位于工作表面3上的与轴X，Y对准且具有预设间距(如100mm)的格栅上的点上(图1)施加单位垂直力F(如1kN)。对于每个基本载荷条件，即，对于属于格栅的每个单位力施加点，存在利用有限元方法预先计算的根据门座位置沿其移动路径变化(即，根据Y变化)而变化的门座纵摇和横摇旋转值。
图4中的曲线示出了对于给定基本载荷条件，门座5的随Y变化的纵摇和横摇旋转值的变化曲线。
通过对所有预定基本载荷条件计算随车架位置变化的纵摇旋转和横摇旋转，可以创建预定变形映射14，其存储在机器1的测量和控制单元12中，作为该给定机器模型的特征。
将通过以下特征组来定义与将待测量的给定工件放置在机床上相对应的实际载荷条件，所述特征共同作用以确定相关情形中传递到机床的载荷，也就是：
-工件和可能的支撑和固定装备的总重量；
-总载荷质心的位置；以及
-在工作表面上的搁置模式(resting mode)(搁置点或搁置区域的数目和位置)。
搁置点、质心等的不同位置被理解为相对于参考系XY的坐标。
根据本发明的优选实施例，该方法构思了一系列规则和假设，这些规则和假设使得任何实际载荷条件均能够被还原成可用基本载荷表示的等价条件。
所考虑的标准载荷条件可以是，例如：
a)搁置在任意3个点上，质心在任意位置上；
b)搁置在平行于XY定向的矩形顶点处的四个点上，质心在任意位置；
c)搁置在n个点上，每个点上的载荷是已知的；
d)分布式(distributed)搁置在一矩形区域上，该矩形平行于XY定向并近似计为格栅(grid)的网格(mesh)的整数，质心在任意位置；以及
e)均匀分布地搁置在近似计为格栅网格的整数的区域上。
一旦定义了标准载荷条件，必须定义插值规则以便将标准载荷配置转换为基本载荷情形的线性组合。
例如，所述规则可以如下：
-在载荷集中于一个搁置点的情形中，载荷被分解为施加到包含该搁置点的格栅网格的顶点上的四个力，并例如通过对于每个网格施加旋转平衡并且相对于穿过载荷施加点且平行于网格侧边的两个轴不存在扭曲而进行计算；
-在分布式搁置情形(图5)中，计算压在格栅每个网格上的总载荷，并将所述载荷分解为施加在网格顶点上的四个相等载荷。
给定基本载荷情形的任何线性组合，可以如下操作计算主车架的纵摇旋转和横摇旋转的相应值：
·从变形映射中提取关于线性组合的每个分量的纵摇和横摇旋转值(基本载荷情形，单位力)；
·基于载荷的有效值设置比例(proportioning)；以及
·对所有分量求和从而获得总影响。
这样计算的旋转被用作校正值(适当设定符号)以便更新机器的几何补偿映射，然后校正在工件上执行的测量。
该方法是根据图6方框图的处理程序执行的。
第一输入方框15使得能够采集关于载荷配置的数据。
所述采集可通过手动输入执行。具体地，操作员输入(通过键盘或图形界面输入)与特定情形中的载荷条件有关的数据：
-加载在机床上的总重量：手动输入或以其他方式确认基于CAD实体模型(如果有的话)自动计算的重量；
-载荷配置，在可用的标准载荷配置之间选择；
-基于前面的选择，计算所需的数据：
·搁置点的坐标；
·搁置区域(如果是矩形)的限制值X和Y；
·载荷质心的坐标；
·承受分布载荷的格栅的网格；
·每个搁置点的载荷(n个搁置点的情形)。
可替换地，上述用于数据采集的步骤可以是自动的：在测量前的对准步骤中，测量机器采集的点可用于针对配置b)，d)和e)确定工件在工作表面上的位置。
然后控制转移到接下来的处理方框16，其中基于上述规则对载荷数据进行处理，以便确定用于表示所输入的标准载荷的基本载荷条件，以及等价于所输入的标准载荷的基本载荷线性组合的系数。
在随后的方框17中，针对每个基本载荷条件，程序从预定变形映射14中提取门座5的位置变化时的纵摇和横摇旋转误差。
在方框18中，基于方框16中确定的系数，对方框17中确定的旋转误差做线性组合计算并将其作为几何补偿映射的校正值。
最后，在方框19中，利用校正值校正几何补偿映射并因此计算校正后的几何补偿映射，这不仅取决于机器模型而且还取决于具体的载荷条件，即，取决于所测量的工件和工件的约束条件。
在补偿步骤中输入和计算的数据集可被存储起来以供以后在类似工件的测量情形中再使用。
现在机器1就绪以便执行测量周期。
图7的方框图示出工件的测量过程。
控制从测量方框20(其中机器1采集“原始”坐标，即尚未被补偿并因此存在几何性质误差的坐标)进入方框21(其中原始坐标是以与传统机器中发生的方式类似但却是根据本发明通过校正后的几何补偿映射进行补偿)。
因此，测量将会清除在检查中出现的现象的负面影响。
如此计算的“校正后的”坐标被存储在方框22中。
在测量结束时，操作员可便利地选择(方框23)是否保持该校正后的映射有效，以用于测量相同类型的另一个工件，或返回到前面情形中(方框24用于复位补偿映射)。
由于工件在工作表面上的位置和可能的搁置模式在理论上是无限的，作为以上所述的总结，该方法可包括用于放置工件的指导说明，以便使实际工作条件尽可能地接近理论模型中所考虑的条件，补偿是基于理论模型中所考虑的这些条件进行的。
通过对所述补偿方法的特征的检查，可显然看出其优点。
具体地，除了通常的几何补偿外，由于工件的载荷导致的机床变形所引起的几何误差也被补偿。这使得可以在补偿中考虑工件重量和其在机床上的约束条件两者。
最后，显然地，在不偏离所附权利要求限定的保护范围的情况下，可对这里所述的方法做出修改和变化。
具体地，尽管所述方法是参照门座机器描述的，但这完全是通用的，并可以用于任何类型的机器，甚至是是非笛卡尔型机器。
而且，尽管该方法是参考对于门座的旋转误差进行补偿而描述的，但可将其扩展为用于校正由于工件载荷引起的任何几何误差。

Claims (14)

1.一种补偿测量机器(1)的测量误差的方法，所述测量误差源自于待测量工件施加在测量机器(1)的机床(2)上的载荷引起的机床(2)的变形，其特征在于，所述方法包括：第一采集步骤(15)，在所述第一采集步骤中采集与所述工件的重量和所述工件在所述机床上的约束条件有关的数据；以及第二计算步骤(16，17，18，19)，在所述第二计算步骤中，根据所述数据计算校正值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括计算用于校正预先存储的几何补偿映射(13)的校正数据的步骤(18)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括将根据预定基本载荷条件得到的相应值的线性组合计算作为与所述机床(2)在所述工件的载荷下的变形相关的值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定载荷条件是通过在所述机床(2)的工作表面(3)的各预设点施加预设载荷(F)而定义的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设点在所述机床(2)的工作表面(3)上定义出格栅。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一步骤(15)包括从多个标准载荷条件中进行选择。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准载荷条件至少包括搁置在三个点上的条件。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准载荷条件至少包括搁置在一矩形的顶点处的四个点上的条件，所述矩形平行于所述工作表面(3)的两个坐标轴(X，Y)而定向。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准载荷条件至少包括搁置在n个点上的条件，其中每个点上的载荷是已知的。
10.根据权利要求5和6所述的方法，其特征在于，所述标准载荷条件至少包括分布式搁置在矩形区域上的条件，所述矩形区域平行于所述工作表面(3)的两个坐标轴(X，Y)而定向并近似计为所述格栅的网格的整数。
11.根据权利要求5和6所述的方法，其特征在于，所述标准载荷条包括均匀分布地搁置在一区域上的至少一个条件，所述区域近似计为所述格栅的网格的整数。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述校正值是基于所述机器的简化模型计算的，所述简化模型考虑了较少数量的误差分量。
13.根据权利要求4到11中任一项所述的方法，用于补偿笛卡尔测量机器中的误差，所述笛卡尔测量机器包括：主车架(5)，所述主车架可相对所述工作表面沿第一轴(Y)移动；以及至少一个第二车架(9)，其由所述主车架(5)承载并可相对于所述主车架沿与所述第一轴(Y)正交且与所述工作表面(3)平行的第二轴(X)移动，其特征在于，所述校正值是基于所述机器的简化模型计算的，所述简化模型仅考虑了所述主车架(5)绕所述轴(X，Y)的旋转。
14.一种测量机器，其包括机床(2)和移动单元(4)，所述移动单元用于使测量传感器(11)相对于所述机床(2)移动，其特征在于，所述测量机器包括用于补偿测量误差的补偿系统，所述测量误差源自于待测量工件施加在所述机床上的载荷引起的所述机床的变形，所述补偿系统根据前述权利要求中任一项所述的方法进行操作。
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