CN102275094A - 用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器 - Google Patents

用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器 Download PDF

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CN102275094A CN2011101602955A CN201110160295A CN102275094A CN 102275094 A CN102275094 A CN 102275094A CN 2011101602955 A CN2011101602955 A CN 2011101602955A CN 201110160295 A CN201110160295 A CN 201110160295A CN 102275094 A CN102275094 A CN 102275094A
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西川静雄
森田尚义
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Abstract

本发明涉及用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器。附接至机床的测量头(10)回转预定角度θ。然后，从第一方向(E1)和第二方向(E2)由测量头(10)对参考球(30)测量。因此，获取参考球的中心点(A1)的坐标。测量头的第一机器坐标(P1)是测量头从第一方向对参考球的中心点(A1)测量时的坐标。测量头的第二机器坐标(P2)是测量头从第二方向对参考球的中心点(A1)测量时的坐标。基于测量头的第一机器坐标(P1)和第二机器坐标(P2)，获取测量头的三维偏置。随后，通过使用测量头的三维偏置由测量头对工件测量。其结果是，获取了测量头的三维偏置，从而能够通过测量头对工件进行测量，因为有效地使用了测量头固有的测量功能而无需单独地使用另一测量仪表。

Description

用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器
技术领域
本发明涉及用于通过测量头对机床上的工件进行测量的方法和仪器，所述机床具有附接至其上的测量头，所述测量头能够相对于工件进行移动和回转，所述测量头包括三维偏置(offset)。
背景技术
对于诸如加工中心或者多轴车削中心的机床，已经提出了在加工之后不从机床拆卸工件的情况下对附接至该机床的工件的表面形状进行测量的多种技术。
相应地，测量头附接至机床，通过使得测量头相对于工件移动而对工件进行测量。附接至机床的测量头的长度通常通过使用接触式传感器或仪表来单独地进行测量。
此外，还可以在机床的预定位置以高精度安装参考对象，例如参考球，并且通过使用测量头对参考对象进行测量而获取测量头的长度。然而，在这种情况下，参考对象不得不通过使用千分表或类似物进行初步测量。
日本公布专利申请No.4-203917描述了一种三维测量仪表的标定方法。这种技术涉及用于测量自由形式表面(例如，非球面透镜)的形状的三维测量仪表。该测量仪表通过使用探头(等同于本发明的测量头)来进行测量。
然而，这种三维测量仪表并不适合于通过使用探头来测量探头本身的长度。虽然这种基于常规技术的标定方法使用了参考球形表面，但其还是必须单独地使用另一测量仪表来对参考球形表面进行测量。
本发明的目的是，提供一种用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器，设想本发明的目的是为了解决上述问题。所述方法和仪器能够有效地使用测量头固有的测量功能来对工件进行测量，以获取测量头本身的三维偏置，并且能够通过在任意位置简单地安装参考对象(例如参考球)通过测量头对工件进行测量，而无需单独地使用另一测量仪表(例如接触式传感器或者千分表)。在这里，上述术语“偏置”是一个向量，其具有测量头的固有机器坐标和测量头的测量参考位置坐标之间的长度和方向。
发明内容
为了达到上述目的，根据本发明提供了一种通过包括三维偏置的有线或无线测量头来对工件进行测量的第一方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线移动，并且能够通过一个或更多回转主轴而相对于所述工件改变角度方向，
所述方法包括以下步骤：
在由所述测量头改变的相对角度方向上对放置在任意位置的参考对象进行多次测量；
根据沿着三条垂直轴线从相对角度方向测量的测量结果的改变计算所述测量头的三维偏置；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
特别地，提供了一种通过包括三维偏置的有线或无线测量头来对工件进行测量的第二方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线回转和移动，
所述方法包括以下步骤：
使得所述测量头回转预定角度，以通过所述测量头分别从第一方向和第二方向对放置在任意位置的参考对象进行测量，从而获取所述参考对象的固有特定点的坐标；
基于所述测量头从所述第一方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第一机器坐标以及所述测量头从所述第二方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第二机器坐标而对所述测量头的三维偏置进行计算；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
提供了一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的第三方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线的除了所述测量头并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，
所述方法包括以下步骤：
使得所述测量头回转预定角度，以通过所述测量头分别从第一方向和第二方向对放置在任意位置的参考对象进行测量，从而获取所述参考对象的固有特定点的坐标；
根据所述测量头从所述第一方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第一机器坐标以及所述测量头从所述第二方向对所述参考对象的特定点进行测量时的所述测量头的第二机器坐标，获取在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置；
通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度，并且利用所述激光束的倾斜角度计算在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置；
基于在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置并且基于在所述测量头并不沿着移动的一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头的三维偏置；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
提供了一种通过使用附接至机床并且包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对附接至工作台的工件进行测量的第四方法，所述工作台能够围绕所述机床上的回转中心进行回转，
所述方法包括以下步骤：
将具有固有特定点的参考对象放置在所述工作台上的任意位置；
通过所述测量头对面对第一方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第一机器坐标的点集(point group)以及离开参考位置的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；
使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标；
随后，使得所述工作台围绕所述回转中心回转预定角度；
通过所述测量头对面对第二方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第二机器坐标的点集以及离开所述参考位置的距离数据；
使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标；
基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实获取所述测量头的三维偏置，所述虚拟三角形由所述第一虚拟参考对象的第一特定点、所述第二虚拟参考对象的第二特定点和虚拟回转中心形成，所述实际三角形由所述工作台回转所述预定角度之前和之后的所述实际参考对象的各个特定点和实际回转中心形成；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
提供了一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的第五方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线的除了所述测量头并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，
所述方法包括以下步骤：
将具有固有特定点的参考对象放置在所述工作台上的任意位置；
通过所述测量头对面对第一方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第一机器坐标的点集以及离开参考位置的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；
使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标；
随后，使得所述工作台围绕所述回转中心回转预定角度；
通过所述测量头对面对第二方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第二机器坐标的点集以及离开所述参考位置的距离数据；
使用所获取的点集和距离数据计算实际参考对象的特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标；
基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实获取所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置，所述虚拟三角形由所述第一虚拟参考对象的所述第一特定点、所述第二虚拟参考对象的所述第二特定点和虚拟回转中心形成，所述实际三角形由所述工作台回转所述预定角度之前和之后的所述实际参考对象的所述各个特定点和所述实际回转中心形成；
通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度，并且利用所述激光束的倾斜角度计算在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置；
基于在所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置并且基于在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头的三维偏置；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
提供了一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的第六方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或者两条垂直轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，
所述方法包括以下步骤：
独立地通过根据所述第二、第三或第四方法的每个程序或者通过多个所述程序的组合获取在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置；
通过根据所述第三或第四方法的每个程序，获取在所述测量头的剩余一条轴线的方向上的偏置；
基于在所述测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置以及所述剩余一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头的三维偏置；以及
随后，通过使用所述测量头本身的三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
提供了一种机床上的工件测量仪器，用于通过所述第一至第六方法的任意一种方法通过使用所述测量头而对所述工件进行测量。
根据本发明的用于在机床上对工件进行测量的方法和仪器根据上述方式进行配置，从而能够有效地使用测量头固有的测量功能来对工件进行测量，以获取测量头本身的三维偏置，并且能够通过在任意位置简单地安装参考对象(例如参考球)通过使用测量头对工件进行测量，而无需单独地使用另一测量仪表(例如接触式传感器或者千分表)。
附图说明
图1至图9示出了本发明的第一实施方案，图1是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；
图2是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；
图3是示出了非接触式测量头的配置的示意图；
图4是示出了接触式测量头的配置的示意图；
图5是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之前进行测量；
图6是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之后进行测量；
图7是一幅解释性的图，示出了由测量头测量的各个元素之间的关系；
图8A是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的方法；
图8B是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的另一种方法；
图8C示出了参考对象是多角棱锥时的外部视图；
图8D示出了参考对象是长方体时的外部视图；
图9是示出了获取测量头的三维偏置的程序的流程图；
图10至图13示出了本发明的第二实施方案，图10是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；
图11是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；
图12A和图12B是解释性的图，示出了利用激光束的倾斜角度对沿着Y轴线的偏置进行计算；
图13是一幅解释性的图，示出了用于获取激光束的倾斜角度的一种装置；
图14至图19示出了本发明的第三实施方案，图14是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；
图15是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图；
图16是一幅解释性的图，其中参考球在工作台回转之前进行测量；
图17是一幅解释性的图，其中参考球在工作台回转之后进行测量；
图18是示出了用于获取测量头的三维偏置的方法的解释性的图；以及
图19是示出了获取测量头的三维偏置的程序的流程图。
具体实施方式
对于根据本发明的用于对工件进行测量的方法中的机床1、1a和101，附接至机床1、1a和101的有线或无线测量头10、10a和10b可以沿着三条垂直轴线或者两条垂直轴线相对于工件移动。在测量头10、10a和10b中，相对于工件的角度方向能够通过一个或更多回转主轴改变。然后，通过包括三维偏置R的测量头10、10a和10b对工件进行测量。
在这种方法中，通过测量头10、10a和10b对放置在任意位置上的参考对象30、30a和30b进行多次测量，同时测量头10、10a和10b改变相对角度方向。根据沿着三条垂直轴线从相对角度方向测量的测量结果的改变计算测量头10、10a和10b的三维偏置R。随后，通过使用测量头10、10a和10b本身的三维偏置R通过测量头10、10a和10b而对工件进行测量(图1至图19)。
因此，能够达到以下目的：有效地使用测量头固有的测量功能来对工件进行测量，以获取测量头本身的三维偏置，并且通过测量头对工件进行测量，而无需单独地使用另一测量仪表(例如接触式传感器或者千分表)。
在每个以下实施方案中，显示了机床是多轴车削中心的情况。机床也可以是立式加工中心、卧式加工中心、车床或磨床。
(第一实施方案)
以下将参考图1至图9对本发明的第一实施方案进行描述。
图1是装备有具有有线测量头的工件测量仪器的机床的立体图，图2是装备有具有无线测量头的工件测量仪器的机床的立体图。
图3是示出了非接触式测量头的配置的示意图，图4是示出了接触式测量头的配置的示意图。图5是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之前进行测量；图6是一幅解释性的图，其中参考球在测量头回转之后进行测量；图7是一幅解释性的图，示出了由测量头测量的各个元素之间的关系。
图8A是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的方法；图8B是一幅解释性的图，示出了用于获取参考球的中心点的另一种方法；图8C示出了参考对象是多角棱锥时的外部视图；图8D示出了参考对象是长方体时的外部视图。图9是示出了获取测量头的三维偏置的程序的流程图。
如图1至图3所示，本实施方案描述了机床1是多轴车削中心的情况。机床1包括刀架3、支撑工件4的头架5、支撑工件4的端部的辅助头架(或尾架)6以及转塔7。
头架5的卡盘8夹持工件4并且旋转地对其进行驱动，如箭头C1所示。转塔7具有附接在其上的多个刀具。安装在刀架3上的主轴2具有可拆卸地安装在其上的刀具18，用于对工件4进行车削或切削。刀具18是通过ATC(自动换刀装置)16进行更换的。
刀具18对夹持至头架5的卡盘8的工件4进行加工。存在附接至主轴2的若干类型的刀具18，例如用于车削的刀具或者由主轴2旋转驱动的旋转刀具。
机床1作为车床工作，用于通过刀架3的刀具18或者通过转塔7的刀具对工件4进行车削；并且作为加工中心工作，用于通过刀架3的刀具18对工件4进行切削。
当机床1用作车床的时候，工件4旋转以被刀具18车削，而附接至主轴2的刀具18并不旋转。可替代地，工件4旋转以被附接至转塔7的刀具车削。
当机床1用作加工中心的时候，刀具18被主轴2旋转以对工件4进行切削，工件4不旋转。在这种场合，刀架3展现了其作为加工中心的主轴头的功能性。
从机床1的前部看的上和下、后和前、左和右方向分别定义为X轴线方向、Y轴线方向和Z轴线方向。相互垂直的X轴线、Y轴线和Z轴线构成了三条垂直轴线。
安装在机床1的机身12上的Z轴线移动构件13被Z轴线驱动机构驱动，以沿着Z轴线移动。安装在Z轴线移动构件13上的X轴线移动构件14被X轴线驱动机构驱动，以沿着X轴线移动。安装在X轴线移动单元14上的Y轴线移动构件15被Y轴线驱动机构驱动，以沿着Y轴线移动。
辅助头架6安装为面对头架5，并且可以沿着平行于Z轴线的Z1轴线移动。辅助头架6的卡盘能够夹持工件4并且使得工件4如箭头C2所示进行旋转。
转塔7可以分别沿着平行于X轴线的X1轴线以及沿着平行于Z轴线的Z2轴线进行移动。
机床1受到机床控制单元的控制，机床控制单元包括NC(数字控制)单元11和PLC(可编程逻辑控制器)。
NC单元11分别对Z轴线驱动机构、X轴线驱动机构和Y轴线驱动机构进行控制。NC单元11对辅助头架6的移动机构和转塔7的移动机构以及ATC 16进行控制，ATC 16自动对主轴2上的刀具18进行更换。
刀架3(其是可移动单元)安装在Y轴线移动构件15的前面。工件测量仪器20的有线测量头10附接至图1中所示的机床1上的刀架3。使用图2中所示的机床1，工件测量仪器20a的无线测量头10a能够附接至刀架3。
如图1和图2中所示，刀架3分别由Z轴线移动构件13、X轴线移动构件14和Y轴线移动构件15驱动，并且分别沿着Z轴线、X轴线和Y轴线移动。Y轴线移动构件15的中心轴线(即，B轴线)平行于Y轴线。
附接至刀架3的刀具18以及测量头10和10a分别由Z轴线移动构件13、X轴线移动构件14和Y轴线移动构件15驱动，并且分别沿着Z轴线、X轴线和Y轴线移动。
从而，可拆卸地附接至刀架3的主轴2的刀具18以及附接至刀架3的测量头10和10a可以沿着三条(或两条)垂直轴线相对于工件4移动。如箭头B1所示，刀架3能够围绕用于回转的B轴线进行回转。因此，附接至刀架3的测量头10和10a也能够围绕B轴线进行回转。
容纳有线测量头10的外壳19附接至图1中所示的机床1的刀架3的前部。外壳19支撑测量头10，从而使得测量头10能够进入其中并且从其中离开。
在使用测量头10的时候测量头10从外壳19向下突出，在不使用测量头10的时候测量头10回缩进入外壳19。测量头10对于处于从外壳19向下暴露的状态中的工件4进行测量。支撑测量头10的外壳19可以安置在刀架3的侧面。
图1中所示的工件测量仪器20包括控制机床1的NC单元11、附接至刀架3以对工件4进行测量的有线测量头10以及对工件测量仪器20进行控制的测量仪器控制单元(例如，个人计算机)24。
附接至刀架3的测量头10经由线40电连接至工件测量仪器20。当通过工件测量仪器20对工件4进行测量的时候，测量指令或离开工件4的距离的数据通过线40在刀架3的测量头10和测量仪器控制单元24之间进行发送。
在工件测量仪器20中，由测量头10测量的距离数据经由线40从测量头10输出至测量仪器控制单元24。NC单元11将测量头10的位置数据输出至测量仪器控制单元24。
测量仪器控制单元24通过进行基于位置数据和距离数据的计算而获取工件4的二维或三维形状数据。因此，工件测量仪器20能够进行工件4的二维或三维测量。
当在图2中所示的机床1上对工件4进行测量的时候，无线测量头10a可拆卸地附接至刀架3的主轴2。NC单元11对ATC 16进行控制，ATC 16自动地更换附接至主轴2的刀具18和测量头10a。
因此，附接至刀架3的主轴2的刀具18或测量头10a分别由Z轴线移动构件13、X轴线移动构件14和Y轴线移动构件15驱动，并且分别沿着Z轴线、X轴线和Y轴线移动。
可拆卸地附接至刀架3的主轴2的刀具18和测量头10a能够相对于工件4沿着三条垂直轴线(或两条垂直轴线)移动，并且围绕B轴线进行回转，如箭头B1所示。
在图2中所示的工件测量仪器20a包括NC单元11、可拆卸地附接至主轴2以对工件4进行测量的无线测量头10a、与测量头10a来来回回进行传递和接收的收发器23以及对工件测量仪器20a进行控制的测量仪器控制单元24。
当通过工件测量仪器20a对工件4进行测量的时候，包括测量指令和离开工件4的距离的数据的信号F在收发器23和附接至主轴2的测量头10a之间通过无线方式进行传递和接收。
对于工件测量仪器20a，包括由测量头10a测量的数据的信号F通过无线方式从测量头10a传递至收发器23。通过收发器23从测量头10a接收的关于工件4的距离数据输出至测量仪器控制单元24。NC单元11将测量头10a的位置数据输出至测量仪器控制单元24。
测量仪器控制单元24通过执行基于位置数据和距离数据的计算而获取工件4的二维或三维形状数据。通过这种方式，工件测量仪器20a能够进行工件4的二维或三维测量。
如图1至图3中所示，机床1上的工件测量仪器20和20a以及使用该仪器对工件进行测量的方法能够通过使用激光束21(可替代地，超声波、热或电磁波，未示出)，通过附接至刀架3作为机床1的可移动单元的有线测量头10(或无线测量头10a)以非接触的方式对工件4进行测量。
在这里，测量头10和10a设置了参考位置Pa和固有机器坐标Pb，参考位置Pa存在于激光束21的轴线上，固有机器坐标Pb位于激光束21的相反方向。测量头10和10a的参考位置Pa是由激光振荡器产生的激光束21聚焦的点。
激光束21照射并聚焦在工件4的表面上的测量点上，然后在工件4的表面上的测量点等同于参考位置Pa时，激光束21在测量点处被反射。反射的激光束21会聚为测量头10和10a中的CCD[电荷耦合器件]照相机的成像侧上的环状图像。
本发明还能够应用于接触式有线(或无线)测量头10b(图4)，以及上文描述的非接触式测量头10和10a。换言之，本发明的测量头具有以下功能的一个或两个：使用激光束21、超声波、热或电磁波以非接触的方式对工件4进行测量，以及通过与工件4接触的接头22以接触的方式对工件进行测量。
当测量头是具有接头22的接触类型的时候，附接至机床的有线或无线测量头10b使得接头22与工件4接触并且对工件4进行测量。对于接触式测量头10b，接头22的端部与工件4接触的位置就是参考位置Pa。
如图1至图3中所示，测量头10和10a测量到达工件4的距离D1和D2，假定参考位置Pa处的距离是±0mm。
例如，如果工件4从参考位置Pa向下分离距离D1，测量头10和10a从参考位置Pa向下移动距离D1。其结果是，参考位置Pa与工件4的表面匹配，从而激光束21聚焦在该表面上。由于到达工件4的距离D1(例如，D1＝+5mm)根据测量头的移动是已知的，所以表面上的工件4的位置得以测量。
相反地，如果工件4从参考位置Pa向上分离距离D2，测量头10和10a从参考位置Pa向上移动距离D2。然后，参考位置Pa与工件4的表面匹配，从而激光束21聚焦在该表面上。其结果是，由于到达工件4的距离D2(例如，D2＝-5mm)根据测量头的移动是已知的，所以表面上的工件4的位置得以测量。
对于测量头10和10a，理想情况是，平行于X轴线(竖直方向)穿过固有机器坐标Pb的轴线CL1等同于在测量头10和10a处产生的激光束21的轴线方向。
然而，经常出现的情况是，由于测量头10和10a制造或组装时出现的误差，激光束21的轴线对于平行于X轴线的轴线CL1是倾斜的。例如，对于激光束21，我们假定，激光束21在X、Z平面中以倾斜角度α倾斜，并且激光束21在X、Y平面中以倾斜角度β倾斜。
其结果是，测量头10和10a包括三(3)维偏置R。测量头10和10a的三维偏置R是一个向量，其具有测量头的测量参考位置Pa的坐标和测量头的固有机器坐标(例如，主轴2的端部的位置)Pb之间的长度和方向。
因此，当通过工件测量仪器20和20a上的测量头10和10a对工件4进行测量的时候，需要三维偏置R来对测量结果进行计算，三维偏置R包括激光束21的光学轴线的定向以及在光学轴线上从参考位置(激光束21的焦点)Pa到测量头10和10a的固有机器坐标Pb的长度。
因此，能够通过使用测量头10和10a本身的三维偏置R通过测量头10和10a而对工件4进行测量。
接下来，将对获取测量头10和10a的三维偏置R的方法进行描述。
如图1至图9中所示，测量头10和10a与刀架3一起回转预定角度θ。通过测量头10和10a，分别从第一方向E1和第二方向E2对参考球(即，标准球体)30(其是放置在任意位置上的参考对象)进行测量。因此，从NC单元11获取了参考对象(参考球30)的固有特定点(在这里为中心点A1)的坐标(xc，yc，zc)。
接下来，从NC单元11获取了测量头10和10a从第一方向E1对参考对象(参考球30)的特定点(中心点A1)进行测量时测量头10和10a的第一机器坐标P1(x1，y1，z1)。此外，从NC单元11获取了测量头10和10a从第二方向E2对参考对象(参考球30)的特定点(中心点A1)进行测量时测量头10和10a的第二机器坐标P2(x2，y2，z2)。
基于第一机器坐标P1(x1，y1，z1)和第二机器坐标P2(x2，y2，z2)，对测量头10和10a的三维偏置R进行计算。
随后，工件测量仪器20和20a通过使用测量头10和10a本身的三维偏置R通过测量头10和10a而对工件4进行测量。
在下文中将对获取测量头10和10a的三维偏置R的程序进行具体描述。
首先，刀架3定向至X轴线，从而测量头10和10a定位为向下面对(步骤101)。
转塔7(或头架5的卡盘8)定位于非旋转状态并处于预定位置。在这种状态下，参考球30经由支撑构件31临时放置在转塔7(或头架5的卡盘8)上(步骤102)。
在这种场合，不必以高精度将支撑构件31和参考球30附接于初步确定的给定位置，可以将它们附接于任意位置。优选的是，支撑构件31的一部分或全部由永磁体制成，因为支撑构件31和参考球30从而能够容易地附接至转塔7以及从转塔7拆卸。
示出了具有中心点A1的参考球30是参考对象的情况(图8A和图8B)。在这里，参考对象可以是多角棱锥30a(图8C)(例如具有作为特定点的顶点A2的三棱锥或四棱锥)或者具有作为固有特定点的顶点A3的长方体30b(图8D)。
在参考球30已经定位至转塔7之后，刀架3手动移动以将测量头10和10a定位在参考球30的正上方。其结果是，测量头10和10a向下回转以面对参考球30(步骤103)。
然后，测量头10和10a获取参考球30的中心点A1的坐标(步骤104)。在这种情况下，如图8A中所示，通过激光束21对参考球30的轮廓的多个位置分别进行测量，通过使用最小二乘方法根据每次测量获得的点而获取中心点A1的坐标。
可替代地，作为用于获取中心点A1的坐标的另一种方法，通过螺旋方式分别对参考球30的外周界上的若干点进行测量，如图8B中所示。中心点A1的坐标能够通过最小二乘方法根据测量获取的若干点而获得。
图8A和图8B中的线L表示激光束21的轨迹，用于在通过激光束21进行测量的时候扫描参考球30的表面。
一般而言，能够通过最小二乘方法进行以下计算。使用m组坐标x，y，z对参考球30的中心点A1的坐标(xc，yc，zc)和半径r进行计算。球体(参考球30)的方程式给出如下：
(x-xc)2+(y-yc)2+(z-zc)2＝r2            ……(1)
系数a、b、c和d同样在以下方程式中使用。
xc＝-a/2    ……(2)
yc＝-b/2    ……(3)
zc＝-c/2    ……(4)
r＝SQRT[(a2+b2+c2)/4-d]                ……(5)
然后，球体的方程式通过如下方程式来表达。
(x2+y2+z2)+ax+by+cz+d＝0               ……(6)
在数学分析中已知的是，每个变量的偏导数必须为0(零)。
∂ J / ∂ a = Σ [ ( x 2 + y 2 + z 2 ) + ax + by + cz + d ] × ( x ) = 0 · · · · · · ( 7 )
∂ J / ∂ b = Σ [ ( x 2 + y 2 + z 2 ) + ax + by + cz + d ] × ( y ) = 0 · · · · · · ( 8 )
∂ J / ∂ c = Σ [ ( x 2 + y 2 + z 2 ) + ax + by + cz + d ] × ( z ) = 0 · · · · · · ( 9 )
∂ J / ∂ d = Σ [ ( x 2 + y 2 + z 2 ) + ax + by + cz + d ] × ( l ) = 0 · · · · · · ( 10 )
从上述方程式中获得了以下方程式。
Σ x 2 Σxy Σzx Σx Σxy Σ y 2 Σzy Σy Σzx Σyz Σ z 2 Σz Σx Σy Σz Σn a b c d = - Σ ( x 2 + y 2 + z 2 ) x - Σ ( x 2 + y 2 + z 2 ) y - Σ ( x 2 + y 2 + z 2 ) z - Σ ( x 2 + y 2 + z 2 )
乘以逆矩阵以计算系数a、b、c和d的值，这些值然后代入以下方程式以计算参考球30的中心点A1的坐标(xc，yc，zc)和半径r。
xc＝-a/2    ……(11)
yc＝-b/2    ……(12)
zc＝-c/2    ……(13)
r＝SQRT[(a2+b2+c2)/4-d]    ……(14)
从NC单元11获取了面对第一方向E1的测量头10和10a从第一方向E1对参考球30的中心点A1进行测量时测量头10和10a的第一机器坐标P1(x1，y1，z1)(步骤105)。
在图1至图7中，刀架3围绕B轴线回转，并且沿着X轴线和Z轴线移动。相应地，测量头10和10a围绕参考球30的中心点A1回转预定角度θ。其结果是，测量头10和10a面对第二方向E2(步骤106)。
在这种状态下，参考球30的中心点A1的坐标(xc，yc，zc)是通过与从第一方向E1的测量的相同方法而获取的。从而，对测量头10和10a的位置进行调节，从而使得从第二方向E2获取的参考球30的中心点A1的坐标(xc，yc，zc)等同于从第一方向E1获取的参考球30的中心点A1的坐标(步骤107)。
随后，从NC单元11获取了面对第二方向E2的测量头10和10a从第二方向E2对参考球30的中心点A1进行测量时测量头10和10a的第二机器坐标P2(x2，y2，z2)(步骤108)。
通过使用这样获取的测量头10和10a的第一机器坐标P1和第二机器坐标P2，通过以下方程式以这种方式计算测量头10和10a的三维偏置R。
R → = ( P → 2 - P → 1 ) × cos ( θ / 2 ) / sin θ
对于参考球30的中心点A1(xc，yc，zc)，测量头10和10a的第一机器坐标P1(x1，y1，z1)、第二机器坐标P2(x2，y2，z2)和回转角θ是已知的(图7)。
因此，如果Z分量Rz、X分量Rx和Y分量Ry已知，就能够获取测量头10和10a的三维偏置R。能够通过以下方程式分别计算Z分量Rz、X分量Rx和Y分量Ry。
Rz＝[-(x1-x2)×sinθ-(z1-z2)×(cosθ-1)]/(2-2×cosθ)  ……(15)
Rx＝[z1-z2+Rz×(cosθ-1)]/sinθ                        ……(16)
Ry＝0                                                  ……(17)
基于这样计算的测量头10和10a的三维偏置R的Z分量Rz、X分量Rx和Y分量Ry，能够对测量头10和10a的三维偏置R进行计算(步骤109)。
随后，能够通过使用这样计算的测量头10和10a本身的三维偏置R通过测量头10和10a而对工件4进行测量(步骤110)。
(第二实施方案)
以下将参考图3至图6以及图10至图13对本发明的第二实施方案进行描述。
图10是装备有具有有线测量头10的工件测量仪器20的机床1a的立体图，图11是装备有具有无线测量头10a的工件测量仪器20a的机床1a的立体图。
图12A和图12B是解释性的图，示出了伴随着激光束21的倾斜角度α和β的沿着Y轴线的偏置(Y分量)Ry的计算；图13是一幅解释性的图，示出了用于获取激光束21的倾斜角度α和β的一种装置。
在这里，为与第一实施方案等同或等效的部件提供了相同的附图标记，省略了相关描述，仅仅解释不同的部分。
除了刀架3a并不沿着Y轴线移动之外，图10和图11中显示的机床1a具有与第一实施方案的机床1相同的配置。
机床1a具有附接至刀架3a的有线测量头10(或无线测量头10a)，刀架3a是可移动单元。
除了测量头10和10a并不沿着移动的一条轴线(Y轴线，即，前后)之外，测量头10和10a可以相对于工件4沿着三条垂直轴线(X轴线、Y轴线和Z轴线)中的两条轴线(X轴线和Z轴线)移动。此外，如箭头B1所示，测量头10和10a能够围绕B轴线进行回转。
包括三维偏置R的测量头10和10a通过激光束21对工件4进行测量。有线测量头10被支撑至附接至刀架3a的外壳19，有线测量头10能够进入其中并且从其中离开。测量头10通过线40进行电连接(图10)。无线测量头10a可拆卸地附接至刀架3a的主轴2(图11)。
如图5和图6以及图10至图13中所示，测量头10和10a和刀架3a一起回转预定角度θ，以获取测量头10和10a的三维偏置R。
然后，分别从第一方向E1和第二方向E2通过测量头10和10a对放置在任意位置上的参考对象(参考球30)进行测量。因此，从NC单元11获得了参考对象(参考球30)的固有特定点(中心点A1)的坐标(xc，yc，zc)。
随后，从NC单元11获得了测量头10和10a从第一方向E1对参考对象(参考球30)的特定点(中心点A1)进行测量时测量头10和10a的第一机器坐标P1(x1，y1，z1)。
从NC单元11获得了测量头10和10a从第二方向E2对参考对象(参考球30)的特定点(中心点A1)进行测量时测量头10和10a的第二机器坐标P2(x2，y2，z2)。
从测量头10和10a的第一机器坐标P1(x1，y1，z1)和第二机器坐标P2(x2，y2，z2)获取了在测量头10和10a沿着移动的两条垂直轴线(X轴线和Z轴线)的方向上的偏置Rx和Rz。
通过这种方式，能够通过与第一实施方案中相同的方法来计算三维偏置R的X分量Rx和Z分量Rz。
随后，通过预定装置获取激光束21的倾斜角度α和β。在这种情况下，例如，通过在美国专利No.US 06,199,024中描述的方法来计算在X、Z平面上的激光束21的倾斜角度α以及在X、Y平面上的激光束21的倾斜角度β。
可替代地，存在一种用于进行以下程序1至5的方法，如图13中所示。
(程序1)：首先，例如，块规32暂时定位在转塔7的上方部分上。然后，测量头10和10a固定于沿着Z轴线的任意位置，并且沿着X轴线方向进行扫描以记录检测到块规32的边缘的位置的X分量。
(程序2)：在程序1中，测量头10和10a对于X轴线在加和减方向上都进行扫描，并且获得检测到块规32的边缘的位置的平均值。
(程序3)：将测量头10和10a移动至沿着Z轴线的下一个任意位置，以进行程序2和程序3。
(程序4)：根据在程序1至程序3中获取的块规32的边缘检测位置，计算对于X轴线的激光束21的倾斜角度α(即，X、Z平面上的倾斜角度α)。
(程序5)：通过程序1至程序4的操作，计算对于Y轴线的激光束21的倾斜角度β(即，X、Y平面上的倾斜角度β)。
从而获取了激光束21的倾斜角度α和β。
使用激光束21的倾斜角度α和β来计算测量头10和10a并不沿着移动的一条轴线(Y轴线)的方向上的偏置Ry。
在这种情况下，测量头10和10a的沿着X轴线的偏置(即，X分量Rx)和沿着Z轴线的偏置(即，Z分量Rz)，以及激光束21的倾斜角度α和β已经在图12A和图12B中进行了计算。
因此，如图12A中所示，交叉点n1存在于远离参考位置Pa的Z分量Rz的端部的位置n2和机器坐标Pb之间。因此，计算了从交叉点n1到位置n2的距离L1以及从交叉点n1到机器坐标Pb的距离L2。
如图12B中所示，已经获取了距离L1和L2，X分量Rx以及激光束21的倾斜角度β。因此，能够对测量头10和10a的沿着Y轴线的偏置(即，Y分量Ry)进行计算。
能够根据以下方程式，使用Z分量Rz和倾斜角度α和β来计算Y分量Ry。
Ry＝(Rz/tanα)×tanβ    ……(18)
其结果是，基于在测量头10和10a沿着移动的两条垂直轴线(X轴线和Z轴线)的方向上的偏置Rx和Rz，并且基于在测量头10和10a并不沿着移动的轴线(Y轴线)的方向上的偏置Ry，能够对测量头10和10a的三维偏置R进行计算。
随后，通过使用测量头10和10a本身的三维偏置R，测量头10和10a对工件4进行测量。
在该实施方案中，即使测量头10和10a并不沿着三条垂直轴线的一条轴线(在这里为Y轴线)移动，也能够对测量头10和10a的三维偏置R进行计算。
使用第一和第二实施方案的机床1和1a，工件4被头架5的卡盘8夹持和旋转，或者被支撑在非旋转状态。作为其一个示例性变型，可以在刀架3和3a的下方提供能够回转的工作台，工件4可以附接至该工作台。
(第三实施方案)
以下将参考图3以及图14至图19对本发明的第三实施方案进行描述。
图14是装备有具有有线测量头10的工件测量仪器20的机床101的立体图，图15是装备有具有无线测量头10a的工件测量仪器20a的机床101的立体图。
图16是一幅解释性的图，其中参考球30在工作台106回转之前进行测量；图17是一幅解释性的图，其中参考球30在工作台106回转之后进行测量；图18是示出了用于获取测量头10和10a的三维偏置R(Rx，Ry，Rz)的方法的解释性的图；以及图19是示出了获取测量头10和10a的三维偏置R的程序的流程图。
在这里，为与第一和第二实施方案等同或等效的部件提供了相同的附图标记，省略了相关描述，仅仅解释不同的部分。
在图3和图14至图19中，机床101的工作台106能够围绕用于回转的中心轴线(B轴线)进行回转。机床101是基于五轴受控竖直加工中心的五轴车削中心，并且是能够对工件4进行车削和切削的多轴车削中心。虽然机床101基于立式加工中心，本发明也能够应用于工作台在其上回转的卧式加工中心。
作为机床101上的可移动单元的主轴头105具有附接至主轴头105的有线测量头10，其通过线40进行电连接。有线测量头10被支撑至附接至主轴头105的外壳19，从而使得测量头10能够进入其中并且从其中离开(图14)。
无线测量头10a可拆卸地附接至主轴头105的主轴104(图15)。
附接至主轴头105的测量头10和10a(其能够通过激光束21对附接至工作台106的工件4进行测量)包括三维偏置R。
五轴受控机床101进行三轴控制，其使得测量头10和10a以及工件4沿着三条垂直轴线(即，X轴线、Y轴线和Z轴线)相对地进行线性移动。机床101进行至少一轴控制(在这个例子中为由B轴线控制和C轴线控制组成的两轴控制)，其使得测量头10和10a以及工件4进行相对回转，以对它们进行转位(index)。
机床101包括基座102、安装在基座102上的支柱103、安装在支柱103上的横梁107，以及主轴头105。主轴头105附接至横梁107，并且具有主轴104。机床101受到NC单元11的控制。
支柱103放置在基座102上，并且能够水平地前后(沿着Y轴线)移动。横梁107放置在支柱103上，并且能够水平地左右(沿着X轴线)移动。主轴头105由横梁107支撑，并且能够上下(沿着Z轴线)移动。相互垂直的X轴线、Y轴线和Z轴线构成了三条垂直轴线。
主轴104具有可拆卸地附接在其上的刀具18。主轴104由主轴头105支撑并且能够围绕平行于Z轴线的中心轴线旋转。
安装在基座102上的支柱103由Y轴线进给机构驱动，以沿着Y轴线移动。安装在支柱103上的横梁107由X轴线进给机构驱动，以沿着X轴线移动。由横梁107支撑的主轴头105由Z轴线进给机构驱动，以沿着Z轴线移动。
因此，测量头10和10a相对于工件4沿着三条垂直轴线(即，X轴线、Y轴线和Z轴线)进行线性移动。
机床101的工作台106能够通过B轴线控制围绕回转中心(用于回转的中心)O1进行回转，并且能够通过C轴线控制而进行旋转。工作台106能够通过B轴线控制和C轴线控制使得工件4相对于测量头10和10a进行回转，并且能够使得工件4转位。B轴线平行于Y轴线，C轴线是工作台106旋转的中心。
基座102具有回转板109，其通过安装在其上的B轴线控制而回转，如箭头K所示。回转板109具有工作台支撑平台110，其固定在回转板109上，用于从那里向前突出以支撑工作台106。
工作台驱动设备包括通过B轴线控制使得工作台106回转的B轴线驱动单元111以及通过C轴线控制使得工作台106回转的C轴线驱动单元112。
驱动B轴线驱动单元111通过B轴线控制使得回转板109、工作台支撑平台110、工作台106和工件4回转，并且使得它们在预定位置处转位。
驱动C轴线驱动单元112通过C轴线控制使得工作台106旋转并转位所需角度，并且也能够使得工作台106连续旋转，工作台106具有附接至其上的工件4。
在车削的情况下，驱动C轴线驱动单元112使得工作台106和工件4通过C轴线控制而旋转。通过这种方式，工件4通过C轴线控制而以预定旋转速度进行旋转，同时工件4放置在工作台106上。因此，工件4被附接至主轴104的刀具18车削。
另一方面，在通过附接至主轴104的旋转刀具18进行切削的情况下，C轴线驱动单元112被控制为通过C轴线控制在预定位置对工作台106上的工件4进行转位。在这种状态下，放置在工作台106上的工件4被主轴104的旋转刀架18切削。
安装在机床101上的工件测量仪器20和20a具有与安装在根据第一实施方案的机床1和根据第二实施方案的机床1a上的工件测量仪器20和20a相同的配置。
工件测量仪器20和20a以及用于使用工件测量仪器20和20a对工件进行测量的方法能够通过使用激光束、超声波、热和电磁波的其中之一通过附接至主轴头105的测量头10和10a以非接触的方式对工件4进行测量。
接下来，将会描述通过使用包括三维偏置R的测量头10和10a通过激光束21对附接至工作台106的工件4进行测量的方法。
当通过测量头10和10a对工件4进行测量的时候，需要激光束21的光学轴线的定向和三维偏置R(从置于光学轴线上的参考位置(激光束21的焦点)Pa到测量头10和10a的固有机器坐标Pb(例如，主轴104的端部))来对测量结果进行计算。
因此，必须获取附接至主轴头105的测量头10和10a的三维偏置R(向量R)。因此，首先，具有固有特定点(在这里为中心点A1)的参考对象(在这里为参考球30)经由支撑构件31放置在工作台106上的任意位置。
随后，通过测量头10和10a对面对第一方向E11的工作台106上的参考对象(参考球30)进行测量。换言之，通过将激光束21从测量头10和10a照射在参考球30上并且通过如轨迹L所示扫描激光束21而对参考球30进行测量。
通过这种方式，获取了测量头10和10a的第一机器坐标Pb的一组点(即，点集)以及离开参考位置Pa(其是激光束21的焦点)的距离数据(图3)。
根据所获取的测量头10和10a的第一机器坐标Pb的点集以及所获取的距离数据，计算实际参考对象(参考球30)的特定点(中心点A1)的坐标和第一虚拟参考对象(参考球30f)的第一特定点(第一中心点A1a)的坐标。
随后，通过B轴线控制，工作台106在X、Z平面上围绕回转中心O1回转预定角度θ。
通过测量头10和10a对面对第二方向E12的工作台106上的参考对象(参考球30)进行测量。换言之，通过将激光束21从测量头10和10a照射在参考球30上并且通过如轨迹L所示扫描激光束21而对参考球30进行测量。
通过这种方式，获取了测量头10和10a的第二机器坐标Pb的点集(即，点集)以及离开参考位置Pa(其是激光束21的焦点)的距离数据(图3)。
根据上文所述的所获取的测量头10和10a的第二机器坐标Pb的点集以及所获取的距离数据，计算实际参考对象(参考球30)的特定点(中心点B1)的坐标和第二虚拟参考对象(参考球30g)的第二特定点(第二中心点B1a)的坐标(图17)。
在工作台106回转预定角度θ之前和之后，通过实际参考对象(参考球30)的各个特定点(中心点A1和B1)和实际回转中心O1形成实际三角形G。
实际三角形G(即，三角形O1，A1，B1)是等腰三角形，O1到A1的边的长度等于O1到B1的边的长度，顶角为θ(图18)。
通过第一虚拟参考对象(参考球30f)的第一特定点(中心点A1a)、第二虚拟参考对象(参考球30g)的第二特定点(第二中心点B1a)以及虚拟回转中心O1a形成虚拟三角形Ga。
虚拟三角形Ga(即，三角形O1a，A1a，B1a)是等腰三角形，O1a到A1a的边的长度等于O1a到B1a的边的长度，顶角为θ(图18)。
将实际三角形G与虚拟三角形Ga进行比较，它们具有相同的顶角θ，包括顶角θ的两条边(即，边：O1到A1、O1到B1、O1a到A1a以及O1a到B1a)具有相等的长度。因此，实际三角形G和虚拟三角形Ga全等。
基于实际三角形G和虚拟三角形Ga全等的事实，从而获取了测量头10和10a的三维偏置R。
随后，通过使用测量头10和10a本身的三维偏置R通过测量头10和10a而对工件4进行测量。
通过这种方式，即使机床101的工作台106回转，也能够获取测量头10和10a的三维偏置R。
此外，能够获取沿着测量头10和10a的三条垂直轴线的三维偏置R(Rx，Ry，Rz)，而不需要测量头10和10a的激光束21的倾斜角度α和β的信息。
将对获取工件测量仪器20和20a上的测量头10和10a的三维偏置R的程序进行描述。
首先，参考球30经由支撑构件31临时放置在工作台106上的任意位置(步骤201)。在这种场合，操作者可以将参考球30放置在工作台106上的合适位置，因为待放置的位置不是初步设置的。
对于无线测量头10a的情况，测量头10a通过ATC 16(或者手动)附接至主轴104(步骤202)。步骤202的程序对于有线测量头10而言是不必要的。
接下来，工作台106朝向第一方向E11定位。然后，主轴头105手动移动至参考球30的上方部分，测量头10和10a定位在参考球30的正上方。测量头10和10a向下定向并且面对参考球30(步骤203)。
通过测量头10和10a对面对第一方向E11的工作台106上的参考球30进行测量。从NC单元11获取了测量头10和10a的第一机器坐标Pb(图3)的点集以及在这种情形下离开参考位置Pa(图3)的距离数据(步骤204)。图16中所示的标记L(其是由激光束21测量的轨迹)螺旋成形。
使用如上文所述获取的测量头10和10a的第一机器坐标Pb的点集以及离开参考位置Pa的距离数据，通过最小二乘方法计算实际参考球30的第一中心点A1的坐标和第一虚拟参考球30f的第一中心点A1a的坐标(步骤205)。
随后，通过B轴线控制，工作台106在X、Z平面上围绕回转中心O1回转预定角度θ，并且定向至第二方向E12(步骤206)。
通过测量头10和10a对安装在面对第二方向E12的工作台106上的参考球30进行测量。从NC单元11获取了测量头10和10a的第二机器坐标Pb的点集以及离开这种情形下的参考位置Pa的距离数据(步骤207)。
通过使用如上文所述获取的测量头10和10a的第二机器坐标Pb的点集以及离开参考位置Pa的距离数据，通过最小二乘方法计算实际参考球30的中心点B1的坐标和第二虚拟参考球30g的第二中心点B1a的坐标(步骤208)。
通过使用虚拟三角形Ga和实际三角形G全等的事实，获取了测量头10和10a的三维偏置R(Rx，Ry，Rz)(步骤209)。
在这种情况下，计算从回转中心O1到参考球30的中心点A1的向量O1A1(Rx1，Ry1，Rz1)。向量O1A1是通过以下量进行计算的：使得工作台106回转角度θ之前的参考球30的中心点A1的坐标(X1，Y1，Z1)、使得工作台106已经回转角度θ之后的参考球30的中心点B1的坐标(X2，Y2，Z2)以及回转角度θ。
用于计算向量O1A1的方程式给出如下：
Figure BSA00000517874300191
当工作台106已经在X、Z平面上回转角度θ时，行列式给出如下：
cos θ - sin θ sin θ cos θ
假定对于这种情况的向量O1B1是(Rx1′，Ry1′，Rz1′)，以下方程式(19)至(21)成立。
X2-X1＝Rx1′-Rx1＝Rx1(cosθ-1)+Rz1(-sinθ)    ……(19)
Y2-Y1＝0                                      ……(20)
Z2-Z1＝Rz1′-Rz1＝Rx1 sinθ+Rz1(cosθ-1)      ……(21)
在两个方程式(19)和(21)中，未知量仅是Rx1和Rz1，向量O1A1的Y分量Ry1为零，因为工作台106在X、Z平面上回转。其结果是，能够使用两个方程式(19)和(21)对向量O1A1进行计算。
随后，计算出工作台106回转之前，从回转中心O1到第一虚拟参考球30f的中心点A1a的向量O1A1a。
能够通过从计算出的向量O1A1a减去上文描述的向量O1A1来计算测量头10和10a的三维偏置R(即，向量A1A1a)。用于这种计算的方程式给出如下：
Figure BSA00000517874300193
通过使用这样计算的测量头10和10a本身的三维偏置R(Rx，Ry，Rz)通过测量头10和10a而对工件4进行测量(步骤210)。
接下来，将描述根据第三实施方案的示例性变型(未示出)的用于对工件进行测量的方法。
在该方法中，第二和第三实施方案的程序组合在一起。除了测量头并不沿着移动的一条轴线之外，附接至机床的有线或无线测量头能够沿着三条垂直轴线的两条轴线相对于工件回转和移动。工作台能够围绕回转中心进行回转。包括三维偏置的测量头通过激光束对工件进行测量。
在该方法中，具有固有特定点的参考对象放置于工作台上的任意位置，如第三实施方案中所述。测量头对面对第一方向的工作台上的参考对象进行测量，从而获取测量头的第一机器坐标的点集以及离开参考位置的距离数据，参考位置是激光束的焦点。
根据所获取的点集和距离数据，计算出实际参考对象的特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标。
随后，工作台围绕回转中心回转预定角度。通过测量头对面对第二方向的工作台上的参考对象进行测量。因此，获取了测量头的第二机器坐标的点集以及离开参考位置的距离数据。
根据所获取的点集和距离数据，计算出实际参考对象的特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标。
通过第一虚拟参考对象的第一特定点、第二虚拟参考对象的第二特定点以及虚拟回转中心形成了虚拟三角形。此外，通过工作台回转预定角度之前和之后实际参考对象的各个特定点和实际回转中心形成实际三角形。基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实，获取了在测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的每个偏置。
如第二实施方案中所述，通过预定装置获取激光束的倾斜角度。使用激光束的倾斜角度计算出在测量头并不沿着移动的一条轴线的方向上的偏置。
基于在测量头沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置并且基于在测量头并不沿着移动的一条轴线的方向上的偏置，计算测量头的三维偏置。随后，通过使用测量头本身的三维偏置通过测量头而对工件进行测量。
(第四实施方案)
在根据第四实施方案的用于对工件进行测量的方法中，机床具有附接至其上的有线或无线测量头10和10a，其能够沿着三条(或者两条)垂直轴线相对于工件回转和移动。工作台能够围绕回转中心进行回转。然后，包括三维偏置R的测量头10和10a通过激光束21对工件进行测量。
该方法独立地通过根据第一、第二或第三实施方案的方法的每个程序(或者通过多个程序的组合)，获取在测量头10和10a沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置。随后，通过根据第二或第三实施方案的方法中的每个程序，获取在测量头10和10a的剩余一条轴线的方向上的偏置。
然后基于在测量头10和10a沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置并且基于在剩余一条轴线的方向上的偏置，计算测量头10和10a的三维偏置R。随后，通过使用测量头10和10a本身的三维偏置R通过测量头10和10a而对工件进行测量。
在第一至第四实施方案中描述的工件测量仪器20和20a能够通过附接至机床的测量头10、10a和10b而对工件4进行测量，并且能够在测量之前或之后通过附接至主轴的刀具18对工件4进行加工。
因此，通过简单地将参考对象(例如参考球30)放置在任意位置上，有效地使用了测量头10、10a和10b固有的测量功能，而无需单独地使用另一测量仪表(例如接触式传感器或者千分表)。其结果是，能够获取测量头10、10a和10b本身的三维偏置R以通过测量头10、10a和10b而对工件4进行测量。
在上述实施方案中，测量头10、10a和10b附接至机床的可移动单元。
作为示例性变型，机床可以配置为具有附接至其上的测量头的机床的构件(例如，主轴头)本身并不移动，而是工作台移动，从而使得构件相对于工作台上的工件移动。其结果是，附接至构件的测量头的坐标在工作台移动时相对于工件移动。
此外，参考对象放置的“任意位置”是由于旋转主轴的旋转而相对于测量头回转的位置，在该位置测量头能够对参考对象进行测量。
刀具18能够存储在刀具库中。刀具18可拆卸地安装在主轴上，并且通过由NC单元11控制的ATC 16而在主轴上自动地更换。因此，在通过附接至主轴的刀具18对工件4进行加工的程序之前(可替代地，在加工过程之中或之后)，能够增加通过测量头10、10a和10b对工件4进行测量的程序。
通过这种方式，加工操作和测量操作以这种顺序或者以相反的顺序而延续。换言之，能够以任意组合方式进行加工操作和测量操作。
其结果是，无需将工件4从卡盘8或工作台106拆卸以进行测量，工件4能够在已经完成加工之后通过二维或三维方式立即进行测量，而工件4仍然附接至卡盘8或工作台106。
此外，在已经对并未加工完成的工件4进行测量之后，还可以在工件4仍然附接的情况下继续进行加工操作。另外，在加工后已经对工件4进行测量之后，还可以在工件4仍然附接的情况下再次继续进行加工操作。
在接收到测量指令时，通过测量从测量头10和10a到工件4的距离，测量头10和10a以非接触方式对工件4进行测量。
由于在测量头10和10a进行测量时测量头10和10a并不与工件4接触，测量头10和10a能够在没有振动的情况下(或者在较低振动的情况下)安全地进行高速扫描，以在较短时间内在较宽范围中对工件4进行测量。
根据本发明的用于对机床上的工件进行测量的方法和仪器能够应用于诸如车床或磨床的机床以及加工中心和多轴车削中心，以通过有线或无线测量头以非接触(或接触)方式对工件进行测量。
上文描述的本发明的实施方案(包括示例性变型)并不以任何方式对本发明进行限制，在本发明的范围内可以对本发明进行各种改变、增添等等。
在附图中，相同的附图标记表示相同或等效的部件。

Claims (7)

1.一种通过包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a、10b)来对工件(4)进行测量的方法，其中附接至机床(1、1a、101)的所述测量头(10、10a、10b)能够相对于所述工件(4)沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线移动，并且能够通过一个或更多回转主轴而相对于所述工件(4)改变角度方向，
所述方法包括以下步骤：
在由所述测量头(10、10a、10b)改变的所述相对角度方向上对放置在任意位置的参考对象(30、30a、30b)进行多次测量；
根据沿着所述三条垂直轴线从相对角度方向测量的测量结果的改变计算所述测量头(10、10a、10b)的所述三维偏置(R)；以及
随后，通过使用所述测量头(10、10a、10b)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、10a、10b)而对所述工件(4)进行测量。
2.一种通过包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a、10b)来对工件(4)进行测量的方法，其中附接至机床(1)的所述测量头(10、10a、10b)能够相对于所述工件(4)沿着三条垂直轴线或两条垂直轴线回转和移动，
所述方法包括以下步骤：
使得所述测量头(10、10a、10b)回转预定角度(θ)，以通过所述测量头(10、10a、10b)分别从第一方向(E1)和第二方向(E2)对放置在任意位置的参考对象(30、30a、30b)进行测量，从而获取所述参考对象(30、30a、30b)的固有特定点(A1、A2、A3)的坐标；
基于所述测量头(10、10a、10b)从所述第一方向(E1)对所述参考对象(30、30a、30b)的所述特定点(A1、A2、A3)进行测量时的所述测量头(10、10a、10b)的第一机器坐标(P1)以及所述测量头(10、10a、10b)从所述第二方向(E2)对所述参考对象(30、30a、30b)的所述特定点(A1、A2、A3)进行测量时的所述测量头(10、10a、10b)的第二机器坐标(P2)而对所述测量头(10、10a、10b)的所述三维偏置(R)进行计算；以及
随后，通过使用所述测量头(10、10a、10b)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、10a、10b)而对所述工件(4)进行测量。
3.一种通过使用包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a)通过激光束(21)来对工件(4)进行测量的方法，其中附接至机床(1a)的所述测量头(10、10a)能够相对于所述工件(4)沿着三条垂直轴线的除了所述测量头(10、10a)并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，
所述方法包括以下步骤：
使得所述测量头(10、10a)回转预定角度(θ)，以通过所述测量头(10、10a)分别从第一方向(E1)和第二方向(E2)对放置在任意位置的参考对象(30)进行测量，从而获取所述参考对象(30)的固有特定点(A1)的坐标；
根据所述测量头(10、10a)从所述第一方向(E1)对所述参考对象(30)的所述特定点(A1)进行测量时的所述测量头(10、10a)的第一机器坐标(P1)以及所述测量头(10、10a)从所述第二方向(E2)对所述参考对象(30)的所述特定点(A1)进行测量时的所述测量头(10、10a)的第二机器坐标(P2)，获取在所述测量头(10、10a)沿着移动的两条垂直轴线的方向上的各个偏置(Rx和Rz)；
通过预定装置获取所述激光束(21)的倾斜角度(α和β)，并且利用所述激光束(21)的倾斜角度(α和β)计算在所述测量头(10、10a)并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置(Ry)；
基于在所述测量头(10、10a)沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的所述各个偏置(Rx和Rz)并且基于在所述测量头(10、10a)并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的所述偏置(Ry)，计算所述测量头(10、10a)的所述三维偏置(R)；以及
随后，通过使用所述测量头(10、10a)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、10a)而对所述工件(4)进行测量。
4.一种通过使用附接至机床(101)并且包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a)通过激光束(21)来对附接至工作台(106)的工件(4)进行测量的方法，所述工作台(106)能够围绕所述机床(101)上的回转中心(O1)进行回转，
所述方法包括以下步骤：
将具有固有特定点(A1)的参考对象(30)放置在所述工作台(106)上的任意位置；
通过所述测量头(10、10a)对面对第一方向(E11)的所述工作台(106)上的所述参考对象(30)进行测量，从而获取所述测量头(10、10a)的第一机器坐标(Pb)的点集以及离开参考位置(Pa)的距离数据，所述参考位置是所述激光束(21)的焦点；
使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象(30)的所述特定点(A1)的坐标和第一虚拟参考对象(30f)的第一特定点(A1a)的坐标；
随后，使得所述工作台(106)围绕所述回转中心(O1)回转预定角度(θ)；
通过所述测量头(10、10a)对面对第二方向(E12)的所述工作台(106)上的所述参考对象(30)进行测量，从而获取所述测量头(10、10a)的第二机器坐标(Pb)的点集以及离开所述参考位置(Pa)的距离数据；
使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象(30)的所述特定点(B1)的坐标和第二虚拟参考对象(30g)的第二特定点(B1a)的坐标；
基于虚拟三角形(Ga)与实际三角形(G)全等的事实获取所述测量头(10和10a)的三维偏置(R)，所述虚拟三角形(Ga)由所述第一虚拟参考对象(30f)的所述第一特定点(A1a)、所述第二虚拟参考对象(30g)的所述第二特定点(B1a)和虚拟回转中心(O1a)形成，所述实际三角形(G)由所述工作台(106)回转所述预定角度(θ)之前和之后的所述实际参考对象(30)的所述各个特定点(A1和B1)和所述实际回转中心(O1)形成；以及
随后，通过使用所述测量头(10、10a)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、10a)而对所述工件(4)进行测量。
5.一种通过使用包括三维偏置的有线或无线测量头通过激光束来对工件进行测量的方法，其中附接至机床的所述测量头能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线的除了所述测量头并不沿着移动的一条轴线之外的两条轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，
所述方法包括以下步骤：
将具有固有特定点的参考对象放置在所述工作台上的任意位置；
通过所述测量头对面对第一方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第一机器坐标的点集以及离开参考位置的距离数据，所述参考位置是所述激光束的焦点；
使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象的所述特定点的坐标和第一虚拟参考对象的第一特定点的坐标；
随后，使得所述工作台围绕所述回转中心回转预定角度；
通过所述测量头对面对第二方向的所述工作台上的所述参考对象进行测量，从而获取所述测量头的第二机器坐标的点集以及离开所述参考位置的距离数据；
使用所获取的点集和距离数据计算所述实际参考对象的所述特定点的坐标和第二虚拟参考对象的第二特定点的坐标；
基于虚拟三角形与实际三角形全等的事实获取所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置，所述虚拟三角形由所述第一虚拟参考对象的所述第一特定点、所述第二虚拟参考对象的所述第二特定点和虚拟回转中心形成，所述实际三角形由所述工作台回转所述预定角度之前和之后的所述实际参考对象的所述各个特定点和所述实际回转中心形成；
通过预定装置获取所述激光束的倾斜角度，并且利用所述激光束的倾斜角度计算在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的偏置；
基于在所述测量头沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的所述各个偏置并且基于在所述测量头并不沿着移动的所述一条轴线的方向上的所述偏置，计算所述测量头的所述三维偏置；以及
随后，通过使用所述测量头本身的所述三维偏置通过所述测量头而对所述工件进行测量。
6.一种通过使用包括三维偏置(R)的有线或无线测量头(10、10a)通过激光束(21)来对工件进行测量的方法，其中附接至机床的所述测量头(10、10a)能够相对于所述工件沿着三条垂直轴线或者两条垂直轴线回转和移动，工作台能够围绕所述机床上的回转中心回转，
所述方法包括以下步骤：
独立地通过根据权利要求2、3或4的每个所述程序或者通过多个所述程序的组合获取在所述测量头(10、10a)沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置；
通过根据权利要求3或4的每个所述程序，获取在所述测量头(10、10a)的剩余一条轴线的方向上的偏置；
基于在所述测量头(10、10a)沿着移动的所述两条垂直轴线的方向上的各个偏置以及所述剩余一条轴线的方向上的偏置，计算所述测量头(10、10a)的所述三维偏置(R)；以及
随后，通过使用所述测量头(10、10a)本身的所述三维偏置(R)通过所述测量头(10、10a)而对所述工件进行测量。
7.一种机床上的工件测量仪器，用于通过根据权利要求1至6的的任意一项所述的测量方法通过使用所述测量头(10、10a、10b)而对所述工件(4)进行测量。
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