CN102538727B

CN102538727B - 机器校准工具

Info

Publication number: CN102538727B
Application number: CN201110421412.9A
Authority: CN
Inventors: 威廉默斯·威克斯; 约翰·兰格莱斯; 大卫·哈维; 彼得·希克斯
Original assignee: Hexagon Metrology SpA
Current assignee: Hexagon Metrology SpA
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: EP2466250A1; US20120151988A1; EP2466250B2; US8826719B2; EP2466250B1; CN102538727A

Abstract

本发明提供了一种校准工具，该校准工具包括基本上完全由陶瓷材料制成并具有伸长方向的长形本体。包含陶瓷材料的多个测量元件与长形本体一体地形成，每个测量元件包括面向第一方向的第一平面测量表面。每个测量元件的第一平面测量表面平行于所述多个测量元件中的每个其他测量元件的第一平面测量表面。该校准工具可以为由单块陶瓷材料形成的单件式的台阶式量规。

Description

机器校准工具

技术领域

本发明总体上涉及坐标测量机，更具体地，涉及用于校准和校验这种机器的设备以及方法。

背景技术

坐标测量机(CMM)被普遍地用于工件的尺寸检验。通常，工件被固定到工作台上，探针——例如，使用接触式传感器的探针——在测量空间内在CMM的臂上在三个维度上运动以在不同点处与工件接触。当探针接触工件时，在x、y和z方向上的测量刻度被读取从而获得工件上的所接触的点的位置坐标。通过接触工件上的不同的点，能够获得对工件形体的量得尺寸。

CMM在使用之前被校准使得它可以精确地测量工件上的位置的坐标。尽管CMM以严格的公差制造，但是由于刻度误差、导轨的微小的变形、以及其他缺陷，导致出现机器误差。对CMM的校准可以用于制作误差图谱，该误差图谱可以包含在CMM操作软件中以说明机器误差的原因，从而提高机器精确度。

即使在CMM被校准之后，CMM的精确度也应当定期地进行校验。CMM的精确度会由于老化、温度变化、或其他原因而逐渐降低。在一些情况下，CMM的精确度会由于不正确的处置而突然改变。诸如台阶式量规等各种精确度校验工具被用于定期地校验坐标测量机的精确度。总体而言，CMM的精确度通过测量具有精确地已知且稳定的尺寸的工具进行校验。将由CMM测量得到的工具尺寸与已知尺寸相比较，已知尺寸与测得的尺寸之间的任何差异被认为是由CMM或其使用的不精确造成的。这种不精确可以通过对坐标测量机重新校准而修正。当测得的尺寸处于已知尺寸的可接受的范围内时，CMM的精确度被认为得到校验。

台阶式量规是在机械测试中用于校准和/或校验CMM的精确度的一类工具。台阶式量规包括平行的测量表面(“台阶”)，所述测量表面之间具有已知的距离。当使用台阶式量规来校验CMM的精确度时，探针测量表面之间的距离。

发明内容

根据一种实施方式，校准工具包括长形本体，该长形本体包含陶瓷材料并具有伸长方向。校准工具还包括多个测量元件，所述多个测量元件包含陶瓷材料并与所述长形本体一体地形成，每个测量元件至少包括面向第一方向的第一平面测量表面。每个测量元件的所述第一平面测量表面平行于所述多个测量元件中的每个其他测量元件的所述第一平面测量表面。

根据另一实施方式，校准工具包括单件式长形本体，所述单件式长形本体完全或基本上完全由陶瓷材料形成并具有伸长方向，所述单件式长形本体包括多个测量元件。每个测量元件包括面向第一方向的第一平面测量表面。每个测量元件的所述第一平面测量表面平行于所述多个测量元件中的每个其他测量元件的所述第一平面测量表面。

附图说明

附图不应认为是按比例绘制的。在附图中，在不同图示中所示出的每个相同或近似相同的部件由同样的附图标记表示。为清楚起见，并非每个部件在每个附图中都被标记出。在附图中：

图1为现有技术的CMM的一个示例的立体图。

图2为根据本发明的一种实施方式的校准工具的局部剖视立体图。

图3为根据本发明的另一实施方式的校准工具的俯视图。

图4为根据本发明的又一实施方式的校准工具的俯视图。

图5为根据本发明的又一实施方式的的校准工具的正视图。

图6为校准工具的侧视图，其中出于说明的目的移除了一个长形框架构件。

图7为本发明的校准工具的再一实施方式的俯视图。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，诸如台阶式量规的单件式校准工具由单个陶瓷块形成。台阶式量规包括多个用于在校准和/或校验CMM时使用的平行的、基本为平面的测量表面。通过提供单件式校准工具，与由可移除地结合的部件或多种材料形成的工具相比，能够减少由多种因素——包括环境因素、制造缺陷、以及在使用和运输期间的损坏——造成的测量表面的相对距离和方位的变化。例如，在单件式工具中，能够减小温度变化、施加在工具上的外力、和/或工具自身重量对工具的测量表面的均一性和完整性的影响。通过使用陶瓷材料，可以实现工具的低热膨胀。此外，陶瓷材料具有高的强度与重量比，这有助于进一步减小由工具自身重量在工具中引起的的下陷以及其他变形。耐腐蚀性、防潮性以及高硬度是陶瓷材料所具有的对用作校准工具材料而言进一步的潜在有益的性质。

一些已知的台阶式量规包括安装到钢质体部的陶瓷探测凸耳。由于陶瓷和钢的热膨胀系数不同，当台阶式量规在与台阶式量规被校准时的初始基准温度不同的温度下使用时，会产生误差。例如，当测量单个探测凸耳两侧之间的距离时，陶瓷探测凸耳的热膨胀系数对热膨胀误差起主导作用。相反地，当测量在钢质体部上间隔较远的两个探测凸耳之间的距离时，钢质体部的热膨胀系数将对热膨胀误差起主导作用。如上所述，通常的CMM软件针对热膨胀进行适应性调整，但是，通常仅允许将单个用于量规的热膨胀系数的值输入到软件中。因此，校准工具的不同部分具有不同热膨胀系数会造成显著误差。

在图1中示出了传统的桥式CMM10的一种实施方式。CMM10包括基座12；工作台14，工件16固定到该工作台14上；臂18；以及探针组件20，该探针组件20安装到臂上以感测与工件的接触并提供指示该接触的信号。探针组件20能够沿三个正交轴线x轴、y轴和z轴在整个测量空间内运动。为沿y轴22移动，桥24由两个导轨26可移动地支承。导轨可由支腿28支承在基座12上。导轨26之一或两者包括刻度尺30，从刻度尺30上获取读数以确定桥的相应端部的位置。桥支承沿与y轴22垂直的x轴34的方向移动的滑架32。通常称为z轴滑枕或垂直滑枕的臂18安装到滑架32上，臂18沿z轴36移动并承载探针组件20。

在图2中示出单件式校准工具100的一种实施方式。工具基本完全由诸如碳化硅陶瓷的陶瓷材料制成，并形成长形本体的形状。在图2中示出了短的校准工具以方便说明，但在一些实施方式中，校准工具可以具有一米或更长的总长度或任何其他合适的长度。

工具100包括两个长形框架构件104，这两个长形框架构件104在长形本体的伸长方向上彼此平行地延伸。支承横构件106从一个长形框架构件104延伸到另一个长形框架构件104。支承横构件106可以为工具提供结构的稳定性，并且还为测量元件110a提供支承。测量元件110a可以沿与长形本体的伸长方向大致平行的方向从支承横构件106延伸。测量元件110a中的每一个在端部处具有一面，该面包括平面测量表面120a。

工具的平面测量表面120a提供了CMM探针可以探测的表面，以测试CMM对测量表面之间的距离的测量精确度。平面测量表面120a(或至少其一部分)以高精确度彼此平行，作为提供用于距离测量的一致基础的一部分。差的平行性会导致在通过接触式传感器接触测量表面上的不同局部点的情况下距离测量不准确。

可以在每个支承横构件106的相对两侧上设置类似的测量元件(图2中未示出)，该测量元件可以包括与测量表面120a朝向相反的测量表面。例如，如图3所示，平面测量表面220a面向第一方向，而平面测量表面220b可以面向与第一方向相反的第二方向。通过提供面向相反方向的测量表面，能够进行双向测量，作为与针对CMM的验收和校验的国际标准化组织(ISO)标准相符的一部分。双向测量是距离的测量，其中，第一表面由沿第一方向移动的接触式探针接触，而第二表面由沿与第一方向相反的第二方向移动的接触式探针接触。

在本文公开的实施方式中，虽然总体上面向给定方向的测量表面几乎相等地间隔开，但是测量表面可以以任何适当的距离彼此间隔开。例如，在图3中通过俯视图示出的台阶式量规的实施方式中，面向第一方向的每个测量表面220a与其最靠近的测量表面220a相隔约40mm。类似地，每个测量表面220b与其最靠近的测量表面220b相隔约40mm。在一些实施方式中，面向相反方向的相邻测量表面相隔的距离可以为面向相同方向的相邻测量表面之间的距离的一半。例如，在图3的实施方式中，测量表面220a与最靠近的测量表面220b之间的距离可以为约20mm。当然，在各种实施方式中可以使用其他适合的测量表面之间的距离。

对于本文公开的实施方式中的每一个来说，相邻测量表面之间的实际距离不需要以极紧密的公差制造。只要相邻测量表面之间的距离制造成处于合理的公差范围内，例如在一些实施方式中在100微米之内，实际距离可由高精确度认证的CMM在量规校准过程期间确定，而且结果可以记录在量规校准证书上。校准通常由能够为长度标准提供可溯源性的国家计量机构(NMI)执行。通常，高精确度认证的CMM使用接触式探针以大致定位测量表面，然后高精确度CMM使用激光干涉仪来测量测量表面之间的距离。例如，接触式探针与测量表面的接触可以触发激光干涉仪执行测量。一旦校准工具上的测量表面之间的实际距离确定，在一段时期内，这些距离可作为校准工具的已知距离用于验收和校验测试。可以在一段时间之后或一定使用次数之后进行校准工具的后续校验。

在一些实施方式中，例如在图2中示出的实施方式中，平面测量表面120a定位成使得校准工具的中性弯曲轴122与每个测量表面相交。在一些实施方式中，中性弯曲轴在每个表面120a上的大致相同的相对位置处与每个表面120a相交。相较于与中性弯曲轴间隔开的测量点，处于或靠近中性弯曲轴处的预定测量点减小了因由于下陷或其他弯曲变形造成的每个表面120a上的测量点之间的距离的变化所引起的误差。为了本文中的目的，长形校准工具的中性弯曲轴被认为是工具的在弯曲过程中不经历大的纵向应变的横截面。

校准工具的一些实施方式可以与接触式探针一起使用。另一些实施方式可以与非接触式探针一起使用。例如，尽管平面测量表面120a可以为由接触式探针所接触的接触表面，在一些实施方式中，测量表面120a可以与激光扫描器或其他适合的非接触式探针一起使用以用于初始的工具校准，或用于诸如非接触式CMM的机器的校准和/或校验。

在图3中示出的实施方式中，支承横构件206各自具有约12mm的厚度，并且每个测量元件210a、210b从它们各自的横构件的表面向外伸出约4mm。在一些实施方式中，可以采用其他合适的横构件厚度以及测量元件伸出长度。例如，横构件206可以具有约7mm的厚度，而测量元件从横构件伸出约6.5mm。在一些实施方式中，可以从约10mm厚的横构件伸出约5mm的测量元件。

图4示出校准工具300的替代实施方式，其中，由于测量元件310a、310b的侧壁330与支承横构件306的表面形成钝角A，所以测量元件310a、310b具有大致呈梯形的横截面形状。成角度的侧壁可以方便制造期间将工具从模具中移除。例如，如图4所示，测量元件310a、310b可以具有弯曲的、略微内凹的侧壁330。在另一些实施方式中，侧壁330可以为平直的，或者可以兼具弯曲部分和平直部分。

需要指出的是，不是必需需要支承横构件来为校准工具提供结构稳定性。在一些实施方式中，一个或多个支承横构件可以从一个长形框架构件朝相对的长形框架构件延伸，但与该相对的长形框架构件间隔开。

在图5中示出横构件406上形成的测量元件410a的正视图。平面测量表面420a可以通过将模制陶瓷构件的测量元件410a机加工成具有平坦表面而形成。例如，可通过喷射研磨工艺——其形成具有高平直度的平面状表面——对每个测量元件410a的端部进行光整。在一些实施方式中，整个平面测量平面上的任何点都可以用作探针的测量点，而在另一些实施方式中，可以设立特定的“精确”接触区域(举例来说，平面测量表面的子区域)。

在一些实施方式中，形成在支承横构件的测量元件上的平面测量表面可以在从顶部到底部的方向上相对于长形本体居中和/或相对于横构件居中。例如，如在图6的左侧上示出的，支承横构件206相对于长形框架构件204的顶面230和底面232在框架构件204的从顶部到底部的方向上居中。测量元件210a、210b相对于支承横构件206的顶面246和底面247在支承横构件206的从顶部到底部的方向上居中。在图6中示出的实施方式中，长形框架构件204具有平行于纵向轴线250的伸长方向、以及从长形框架构件204的开口侧朝长形框架构件204的相对侧在垂直于伸长方向的方向上延伸的从顶部到底部的方向。支承横构件206的从顶部到底部的方向可以平行于长形框架构件204的从顶部到底部的方向，并沿与长形本体的伸长方向垂直的方向从顶面246向底面247延伸。需要指出的是，术语“顶”和“底”不一定要求顶面总是相对于地面和/或机器表面保持在底面之上。在使用期间，校准工具可以以多种方位中的任何一种定位，且根据工具的方位，顶面可以位于底面的下方或侧旁(相对于地面和/或机器表面)。

对于触针242和接触式传感器244的组合长度L₁短于从支承横构件的顶面246到平面测量表面220a的测量区域的距离L₂的探针组件240来说，探头248的从触针242到边缘243的距离通常会小于测量元件210a的长度，使得当移动接触式传感器224与测量表面220a接触时，探头248的边缘243不与横构件206相互接触。

为操纵从触针542到边缘543的距离大于自横构件506开始的测量元件510a的长度的探头，在一些实施方式中，横构件506可以偏离长形框架构件204的中心。例如，如在图6的右侧上示出的，支承横构件506朝校准工具200的底部定位，而测量元件510a、510b仍然相对于长形框架构件204居中。于是，从支承横构件506的顶部546到平面测量表面520a的测量区域的距离缩短，因此尽管其探头548的从触针542到边缘543的距离大于测量表面520离横构件506的距离，但仍容许接触式传感器544到达测量表面520a。

相同的校准工具上可以包括不同位置的横构件，例如，后续横构件在它们的位置上可以交错。在一些实施方式中，所有的横构件定位在相同的位置。此外，在另一些实施方式中测量元件不需要一定相对于长形框架构件204居中。例如，在一些实施方式中测量元件可以朝校准工具的顶面定位，这可以允许探针容易地接近和/或方便制造。

在一些实施方式中测量表面可以形成在凹部内而不是作为凸部的面。例如，如图7所示，单件式校准工具600由陶瓷材料形成。支承横构件606贯穿工具的长度并跨接两个纵向框架构件604。孔608可以作为铸造过程的一部分而形成。可以以任何适当的制造工艺在每个孔608的相对侧中机加工出诸如槽612a、612b的凹部，从而形成平面测量表面620a、620b。替代凹部，在一些实施方式中，呈凸部形式的测量元件可以从孔608的周面延伸。

校准工具可以用于校准CMM和/或在使用一段时间之后校验CMM的方面。例如，校准工具可专门地用于校验使用不同校准工具校准过的CMM。或者，在一些实施方式中，单个校准工具可既用于校准又用于校验CMM。

陶瓷材料具有低热膨胀系数，当在与校准工具最初被校准的基准温度不同的温度下使用校准工具时，低热膨胀系数是有利的。尽管许多CMM通过基于测量温度和基准温度进行修正来解决这种温度差异，但温度测量的误差会引起与热膨胀系数值成比例的误差。因此，一些实施方式中可使用具有低热膨胀系数——例如介于2.2ppm/°K至4.6ppm/°K之间(含端值)——的陶瓷材料。具有在这个范围之外的热膨胀系数的陶瓷材料可以用于形成本文公开的校准工具，且除陶瓷之外的其他材料也可以在一些实施方式中使用。

将描述基本上完全由陶瓷材料制成的单件式校准工具的制造方法的一种实施方式。首先，制备具有适当尺寸的模腔的模具。将陶瓷材料以及熔融的粘结剂添加到模具中。一旦材料冷却，将模制件(通常称为“坯体”)从模具中取出，并烧制坯体以烧结该模制件。然后在烧制过的陶瓷模制件上机加工出测量表面。例如，可使用喷射研磨机将测量延伸部的端面研磨成平面测量表面。当然，也可以使用其他制造方法来形成本文公开的校准工具。在一些实施方式中，可以在测量延伸部或支承横构件中形成凹部，其中，凹部包括平面测量表面。

通过高精确度CMM初始地校准诸如台阶式量规的校准工具的方法的一种实施方式包括以下步骤。首先，采取措施限定测量线(通常称为中心线)，将沿该测量线测量测量表面。为限定该测量线，第一步骤包括测量台阶式量规的顶面上的至少三个对齐点以建立顶平面。然后在纵向外侧面上测量对齐点以建立量规的纵向方向。最后，在校准工具的端面上测量点。从这些测量中，建立位于校准工具的顶部拐角处的基准点。然后相对于这个拐拐角基准点限定出测量线。

测量线建立后，高精确度CMM从拐角基准点沿测量线测量每个测量表面的距离以确立测量表面离基准点的距离。当然，这个方法仅为校准方法的一个示例，也可以使用其他适合的校准方法。

使用校准工具以校验CMM或其他机器的方法的一种实施方式包括以下步骤。沿CMM的第一轴线——例如x轴——保持校准工具，并对例如五个不同长度的五个不同长度进行距离测量。每个测量以双向方式进行，且为五个长度中的每一个进行三次测量。在校准工具以总计至少九个不同校准工具方位沿y轴、z轴、以及至少六个不同斜方位定位的情况下重复进行这个程序。将结果与已知的校准工具的尺寸相比较以判断CMM是否一致。当然，其他适当的校验方法也可以与本文公开的校准工具的实施方式一起使用，包括符合国际标准化组织(ISO)的国际标准10360-2系列在以下主题下的方法：“产品几何量技术规范(GPS)-用于坐标测量机(CMM)的验收检测和复检检测”(Geometrical productspecifications(GPS)-Acceptance and reverification test for coordinatemeasuring machines(CMM))。

在一些实施方式中校准工具的测量表面的平行度可以通过干涉仪测试来检测。在另一些实施方式中，可使用接触探针，以通过测量沿校准工具的中心线的多个距离、然后测量沿与中心线偏离一定距离——例如1mm——的线的多个距离，来检查测量表面的平行度。也可以使用四条线——一条线从中心线向上偏移，另一条线从中心线向下偏移，还有两条线偏移至中心线的两侧。

根据校准工具的分离方面，非单件式校准工具可以基本上完全由诸如陶瓷材料的单一材料形成。例如，单件式陶瓷长形本体可以形成为不具有测量表面，且可以单独地形成并机加工陶瓷的探测凸耳。在探测凸耳被机加工成具有精确的测量表面之后，可将探测凸耳熔接到长形本体上。在一些实施方式中，可以先将陶瓷的探测凸耳熔接到陶瓷的长形本体上，然后可以进行喷射研磨以在探测凸耳的端部上形成测量表面。

在已如此描述了本发明的至少一种实施方式的若干方面之后，应当理解的是，本领域技术人员能够容易地想到各种替代方式、变型、以及改进。这些替代方式、变型、以及改进被认为是本公开的一部分，并被认为落在本发明的精神和范围之内。因此，前述说明书和附图仅为示例。

Claims

1.一种校准工具，包括：

长形本体，所述长形本体包含陶瓷材料并具有伸长方向，其中，所述长形本体包括通过横构件彼此连接的第一长形框架构件和第二长形框架构件，所述横构件垂直于所述长形框架构件；以及

多个测量元件，所述多个测量元件包含所述陶瓷材料并与所述长形本体一体地形成并且沿与所述长形本体的伸长方向平行的方向从所述横构件的表面延伸，每个测量元件至少包括面向第一方向的第一平面测量表面，其中

每个测量元件的所述第一平面测量表面平行于所述多个测量元件中的每个其他测量元件的所述第一平面测量表面。

2.根据权利要求1所述的校准工具，其中，每个测量元件包括第二平面测量表面，所述第二平面测量表面平行于所述第一平面测量表面，每个第二平面测量表面面向与所述第一方向相反的第二方向。

3.根据权利要求1所述的校准工具，其中，每个测量元件包括凸部，所述凸部从所述横构件沿与所述长形本体的所述伸长方向平行的方向延伸，且每个第一平面测量表面包括其中一个所述凸部的端面。

4.根据权利要求3所述的校准工具，其中，沿着所述长形本体的所述伸长方向截取的所述凸部的横截面呈梯形形状。

5.根据权利要求1所述的校准工具，其中，所述工具具有中性弯曲轴，且所述中性弯曲轴与所述第一平面测量表面中的每一个都相交。

6.根据权利要求5所述的校准工具，其中，每个第一平面测量表面包括接触区域，且所述中性弯曲轴与所述接触区域中的每一个都相交。

7.根据权利要求1所述的校准工具，其中，每个测量元件由所述横构件一体地支承，所述横构件横向于所述长形本体的所述伸长方向延伸。

8.根据权利要求1所述的校准工具，其中，每个第一平面测量表面相对于相应的测量元件的表面是凹进的。

9.根据权利要求1所述的校准工具，其中，所述校准工具包括由单块陶瓷形成的台阶式量规。

10.一种校准工具，包括：

单件式长形本体，所述单件式长形本体完全由陶瓷材料形成、并具有伸长方向，所述单件式长形本体包括多个测量元件，每个测量元件包括面向第一方向的第一平面测量表面，其中

所述长形本体包括通过横构件彼此连接的第一长形框架构件和第二长形框架构件，所述横构件垂直于所述长形框架构件，并且各测量元件均沿与所述长形本体的伸长方向平行的方向从所述横构件的表面延伸；并且

11.根据权利要求10所述的校准工具，其中，每个测量元件包括第二平面测量表面，所述第二平面测量表面平行于所述第一平面测量表面，每个第二平面测量表面面向与所述第一方向相反的第二方向。

12.根据权利要求10所述的校准工具，其中，所述工具具有中性弯曲轴，且所述中性弯曲轴与所述第一平面测量表面中的每一个都相交。

13.根据权利要求10所述的校准工具，其中，每个测量元件包括相应的凸部，所述凸部从所述横构件沿与所述长形本体的所述伸长方向平行的方向延伸，且每个第一平面测量表面包括其中一个所述凸部的端面，沿所述长形本体的所述伸长方向截取的每个所述凸部的横截面呈梯形形状。