CN102259277B - 测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量装置，用于测量机床、测量仪器或机械手的运动轴的空间位移。该测量装置包括支座(1)，在该支座上安置有多个长度测量系统(2,3,4)，用于在不同空间方向上测量至测量体(5)的距离。支座(1)呈球形，所述多个长度测量系统(2,3,4)为了测量对准该支座(1)的球形的中心点(M)。

Description

测量装置
技术领域
本发明涉及用于测量机器例如机床、机械人或测量仪的运动轴的空间位移的测量装置。
背景技术
测量装置用于测量直线轴的位置误差和直线轴或圆轴的组成部分误差。更多使用的是用于自由面加工的五轴机床。此时，转轴相对直线轴的取向和位置对加工精度很重要。测量装置在此也可以被用来检查和评估空间精度并或许由此推导补偿数据以提高精度。
DE29916325U1公开这样的测量装置，其中，三个长度测量头朝向一个测量球的中心点定向布置，以支承在测量球上。长度测量头尤其相互成锐角地布置，以获得大的操纵能力，因而保证灵活使用。长度测量头安置在板状部分上，板状部分的平面的延伸方向分别垂直于相关长度测量头的测量方向。
在根据EP1491287B1的测量装置中，长度测量头安置在截锥形支座上，由此获得尽量高的测量装置刚性。
在EP1549459B1中指出，支座连同长度测量头是可摆动的，这可能是有利的。为此，支座与一个杆形结构连接，在杆形结构上安置有铰链，用于可摆动地支承支座。
发明内容
本发明基于以下任务，提供上述类型的测量装置，其具有高测量精度并且可容易制造。
为此，本发明提出一种测量运动轴的空间位移的测量装置，包括支座，在该支座上安置有多个长度测量系统，用于在不同的空间方向上测量至测量体的距离，其特征是，该支座具有构成一个球体区的球形，所述多个长度测量系统为了测量而对准该支座的球形的中心点的方向并在该球体区内安置在该支座上。
据此，测量装置包括支座，支座上安置有多个长度测量系统，用于在不同的空间方向上测量至一个共同测量体的距离。支座呈构成一个球体区的球形，其中多个长度测量系统为了测量而对准支座球形的中心点并且在球体区的区域内安置在支座上。
另外，要提供一种上述类型的、此外能灵活使用的测量装置。
该任务的技术解决方案是一种测量运动轴的空间位移的测量装置，包括支座，在该支座上安置有多个长度测量系统，用于在不同的空间方向上测量至测量体的距离，其特征是，该支座具有构成一个球拱的球形，该支座利用该球拱可在对向支承内绕该球形的中心点转动，所述多个长度测量系统为了测量对准该支座的球形的中心点的方向。
据此，测量装置包括支座，在支座上安置有多个长度测量系统，用于在不同空间方向上测量至一个测量体的距离。支座具有构成一个球拱的球形，支座借助该球拱在对向支承中可以绕该球形的中心点转动，其中多个长度测量系统为了测量对准该支座的球形的中心点。
本发明的其它有利实施方式可以参考以下的说明。
为了非常简单地制造支座，用于容纳长度测量系统的球体区和用于支座摆动的球拱连续地彼此相接，就是说，构成一个共同的球体区段。
为了精确测量和随后计算测量体的空间位移，在支座上最好设有三个长度测量系统。
这些长度测量系统优选是长度测量头，其分别有一个固定安置在支座上的主体，一个触针可纵向移动地支承在主体中以便接触扫描测量至测量体的距离。此时，触针以有利的方式通过弹簧朝向支座球形的中心点被预紧。
该球体区的优点是，至少其中一个长度测量系统的位置可通过在支座球体区上的移动来调节，其中，保持位置测量系统朝向球形中心点的取向。对此，可以如此构成支座，移动只能在一个方向上进行，或者在多个方向上移动是可行的。
附图说明
在以下结合附图对三个实施例的描述中指出了本发明的其它有利特征和优点，其中：
图1是第一测量装置的透视图；
图2示出第一测量装置的支座；
图3是第二测量装置的透视图；
图4是第二测量装置的局剖透视图；
图5是第三测量装置的透视图；
图6是第三测量装置的剖视透视图。
具体实施方式
在以下的实施例中，多个测量装置安装在机器的机器工作台6上，呈测量球5形式的测量体安置在该机器的工具架(夹)上。
结合图1和图2，详细描述本发明的第一实施例。测量装置用于测量待检机器的运动轴的空间位移。通过多次长度测量或者说距离测量，求出一个工具中心点TCP的空间位移。测量装置为此包括支座1，在支座上安置多个长度测量系统2、3、4。长度测量系统2、3、4在支座1上的空间布置被设计用来在不同空间方向上测量至测量体5的距离。长度测量系统是长度测量头2、3、4，它们朝向一个共同的交点M取向定位，就是说，长度测量头2、3、4的测量方向在一个共同点M相交。
在测量中，长度测量头2、3、4扫过在工具夹中被夹紧的测量体(尤其是呈测量球5形式)的表面，从而测量球5和进而TCP的空间位移通过多次长度测量被掌握。工具中心点TCP最好由测量球5的中心点体现，其中中心点TCP有利地又是长度测量头2、3、4的测量方向的共同交点M。
如果要测量两个可相对运动的机器部件的相对位移，则测量球5被固定在其中一个机器部件上，测量装置被固定在两个机器部件中的另一个上。如果待检机器是机床，则测量球5可通过夹紧轴18固定尤其是夹紧在工具夹上，测量装置可固定尤其是夹紧在机床工作台6上。图2示出了安装在机床工作台6上的支座1。
为了测量和进而检查机器的轴运动的几何形状精度，例如以机器的运动轴执行转动和摆动。从借助三个长度测量头2、3、4测量TCP相对支座1的位移的测量结果中，可以推断出待检机器的几何形状性能、运动性能、静态性能、热力学性能和动态性能。利用测量装置，可以同时测量唯一的机器运动轴的或者机器的多个运动轴的静态和动态的轨迹偏差。从长度测量头2、3、4所获得的测量值中，也可以推导出补偿数据，用于提高机器精度。为此，可以将被测的位置测量值投入机器的坐标系中。
优选采用三个长度测量头2、3、4，它们例如相互垂直地取向。
长度测量头2、3、4分别由主体21、31、41构成，触针22、32、41可纵向移动地支承在主体中，以便接触扫描测量至测量球5的距离。触针22、32、42扫过测量球5的表面并因此测定至测量球5表面的距离。由此，测量球5表面相对支座1的相对运动被求出，这对应于TCP相对中心点M的相对运动。
为了在测量中保持触针22、32、42的尖始终接触测量球5的表面，触针22、32、42朝向测量球5被预紧地支承在主体21、31、41上，例如通过弹簧机构或气压方式。用于接触测量球5的触针22、32、42的尖呈球形或平面形式。或者，与测量球5的接触可如此来保证，即，触针22、32、42无间隙地铰接或支承在测量球5上，例如通过磁性轴承或空气轴承。
长度测量头2、3、4是测量非常精准的位置测量系统，因此具有可光电扫描的测量分度的长度测量头是非常适用的。此时，测量分度可以体现增量测量分度和/或绝对测量分度。
长度测量头2、3、4的主体21、31、41分别固定在测量装置的支座1上。为此，在支座1上，针对每个主体21、31、41设有一个指向点M的凹槽11、12、13。主体21、31、41可以从侧面被插入支座1的凹槽11、12、13中并且在支座1的另一侧被顶住。或者，主体21、31、41也可以被拧入凹槽11、12、13中。在所示的实施例中，主体21、31、41在各自相应的凹槽11、12、13内被径向夹紧。
支座1呈球形，多个长度测量头2、3、4为了测量而对准支座1的球形的中心点M地设置。支座1的球形构成一个球体区14，在球体区的区域内，长度测量头2、3、4安置在支座1上。就是说，支座1的球形在一个区域里构成一个球形层，其中该球形层的球形弯曲表面构成球体区14。
该球形在所有空间方向给支座1提供非常高的刚性，从而一会儿固定在其上的长度测量头2、3、4长时间非常稳定地保持其在所有空间方向上的位置。利用支座1的轻的自重，可以在所有空间方向获得最大刚性。而且，球形支座1作为旋转对称件可以非常容易和精确地通过车削来制造。中心点M可以通过扫过球体表面即球体区14和/或随后还要结合图5和图6详细描述的球拱315来确定。
如图1和图2所示，在支座1内的用于容纳长度测量头2、3、4的凹槽11、12、13为圆柱形。现在如果圆柱形凹槽11、12、13位于球体区14内，则分别在支座1上的凹槽11、12、13的区域内通过球体形状和圆柱体形状的相交而行程一个边缘，该边缘是一个在一个平面的、用于各长度测量头2、3、4的主体21、31、41的圆形垫板。长度测量头2、3、4可以因此非常稳定地固定在或定位在支座1上，其中，通过圆形垫板规定长度测量头2、3、4朝向球形中心点M(在此同时是TCP)的确定安置和定向。
图3和图4示出另一个实施例。在这里采用一个支座201，它呈与第一实施例一样的球形，就是说具有球体区214。与第一实施例不同之处在于支座201的球形被如此利用，至少其中一个所述长度测量头2、3、4的位置可通过在支座201的球体区214上的移动来调节，在此，保持长度测量头2、3、4朝向该球形的中心点M和进而朝向长度测量头2、3、4的测量方向的共同交点的取向。在此情况下，在支座201内的至少一个凹槽211、212、213是长孔，长度测量头2、3、4的主体21、31、41可在一个方向上调校地插在该中。在完成调校后，主体21、31、41被固定在支座201上，例如被螺纹紧固。
支座201内的凹槽也可以如此形成，允许在多个方向上进行调校。
图5和图6示出本发明的另一个实施例。根据这个实施例，支座301的球形构成球拱315。球拱315可以被视为局部球体的表面。支座301通过球拱315可转动地支承在底座317的对向支承316内，其中，转动中心点就是多个长度测量头2、3、4的测量方向的交点M，其在此也与TCP即测量球5的中心重合。通过该措施提供以下可能性，无冲突地在较大的转动范围内检查转轴。为此，支座301在对向支承316中被移入所需的转动位置，以使测量球5和夹紧轴18能在这些不同的转动位置上无冲突地经过长度测量头2、3、4。此时重要的是，在支座301的不同的转动位置上，保持中心点M的位置，就是说中心点M没有移位。
在此实施例中，球体区314和球拱315连续地彼此相接，就是说形成一个共同的球体区段。
底座317的对向支承316最好为球面轴瓦形式，就像在图6的截面图中示出的那样。在完成支座301的期望转动位置的调节后，支座位置不变地锁定在底座317上，例如通过螺丝。
如果对向支承316为球面轴瓦形式，则它的半径与球拱315相同。对向支承或者可以呈圆环垫板、多点垫板尤其是三点垫板的形式。
按照未示出的方式，可以设置用于测量支座310相对底座317转动角度的测量机构。
这些长度测量系统在以上描述的实施例中是长度测量头2、3、4。不过，对于至测量球5表面的距离测量或者对于至TCP的距离测量，也可以采用其它长度测量系统，例如非接触式装置如电容测距传感器或干涉仪。
作为测量体的测量球5是特别有利的，因为在从不同方向扫过时存在相同的至TCP的距离。但是本发明不局限于以测量球5作为测量体。
有利的是，这些长度测量系统的位置测量值被输送给一个数字控制装置，其给出待检机器的运动轴的运动指令。位置测量值用于构成待检机器模型的参数。此时有利的是，这些长度测量系统的位置测量值被换算到待检机器的坐标系中。
按照未示出的方式，该测量装置可以安置在工具架(夹)上，测量体安置在机器工作台上。此时，测量体相对测量装置的中心点M的相对位移被求出，在此情况下，中心点M优选与TCP重合。
使用者将根据待检机器的结构来选择测量装置和测量体的合适布置结构。

Claims (13)

1.一种测量运动轴的空间位移的测量装置，包括支座(1,201,301)，在该支座上安置有多个长度测量系统(2,3,4)，用于在不同的空间方向上测量至测量体(5)的距离，其特征是，该支座(1,201,301)具有构成一个球体区(14,214,314)的球形，所述多个长度测量系统(2,3,4)为了测量而对准该支座(1,201,301)的球形的中心点(M)的方向并在该球体区(14,214,314)内安置在该支座(1,201,301)上。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，该支座(301)的球形还构成一个球拱(315)，该支座利用该球拱可在对向支承(316)内绕该球形的中心点(M)转动，该球体区(14,214,314)和该球拱(315)构成一个共同的球体区段。
3.根据权利要求1或2的测量装置，其特征是，在该支座(1,201,301)上安置至少三个长度测量系统(2,3,4)。
4.根据权利要求1或2的测量装置，其特征是，该长度测量系统(2,3,4)是长度测量头，其分别具有一个固定安置在该支座(1,201,301)上的主体(21,31,41)，一个触针(22,32,42)可纵向移动地支承在该主体中以便接触扫描测量至测量体(5)的距离。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征是，该触针(22,32,42)通过弹簧在朝向该支座(1,201,301)的球形的中心点(M)的方向上被预紧。
6.根据权利要求1或2的测量装置，其特征是，至少其中一个所述长度测量系统(2,3,4)的位置可通过在该支座(1,201,301)的球体区(14,214,314)上的移动来调节，其中保持该长度测量系统(2,3,4)朝向该球形的中心点(M)的取向。
7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征是，所述长度测量系统(2,3,4)设计用于非接触测量至测量体(5)的距离。
8.一种测量运动轴的空间位移的测量装置，包括支座(301)，在该支座上安置有多个长度测量系统(2,3,4)，用于在不同的空间方向上测量至测量体(5)的距离，其特征是，该支座(301)具有构成一个球拱(315)的球形，该支座利用该球拱可在对向支承(316)内绕该球形的中心点(M)转动，所述多个长度测量系统(2,3,4)为了测量对准该支座(301)的球形的中心点(M)的方向。
9.根据权利要求8的测量装置，其特征是，在该支座(1,201,301)上安置至少三个长度测量系统(2,3,4)。
10.根据权利要求8或9的测量装置，其特征是，该长度测量系统(2,3,4)是长度测量头，其分别具有一个固定安置在该支座(1,201,301)上的主体(21,31,41)，一个触针(22,32,42)可纵向移动地支承在该主体中以便接触扫描测量至测量体(5)的距离。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征是，该触针(22,32,42)通过弹簧在朝向该支座(1,201,301)的球形的中心点(M)的方向上被预紧。
12.根据权利要求8或9的测量装置，其特征是，至少其中一个所述长度测量系统(2,3,4)的位置可通过在该支座(1,201,301)的球体区(14,214,314)上的移动来调节，其中保持该长度测量系统(2,3,4)朝向该球形的中心点(M)的取向。
13.根据权利要求8或9所述的测量装置，其特征是，所述长度测量系统(2,3,4)设计用于非接触测量至测量体(5)的距离。
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