CN103307949A - 具有补偿由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统的测量机 - Google Patents

具有补偿由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统的测量机 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有补偿由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统的测量机，其包括沿着轴(Y)运动的构件(5)，平行于轴(Y)延伸的光学标尺(14)，由所述运动构件(5)承载并与所述光学标尺(14)协作的第一读取头(15)，由所述运动构件(5)承载的附加传感器(20)，以及与所述第一读取头(15)和所述附加传感器(20)相协作的处理单元，该处理单元用于检测与所述光学标尺(14)的热膨胀状态相关的数据。

Description

具有补偿由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统的测量机
技术领域
本发明涉及一种测量机，其具有补偿由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统。 
背景技术
众所周知，测量机包括沿坐标轴运动的构件，用以在测量空间内移动测量传感器。典型地，该运动构件由相对于工作台沿第一轴运动的第一滑动架，由第一滑动架承载并且相对于第一滑动架沿与第一轴正交的第二轴运动的第二滑动架，以及由第二滑动架承载并且相对于第二滑动架沿与前述两个轴均正交的第三轴运动的主轴构成。 
该运动构件的位移通常由转换器检测，所述转换器包括沿着运动轴固定至支撑和引导构件的标尺，以及固定至运动构件的读取头，该读取头与标尺协作而沿运动轴检测坐标。转换器可以是光学的，电容式的，或电感型的，或其他一些类型的。例如，在光学转换器的情况中，标尺具有以恒定间隔(例如20微米)设置的一系列刻痕，这些刻痕由读取头14进行检测并且由与之关联的逻辑进行“计数”。 
测量机通常配备有用于补偿由各种原因(引导件的几何误差，机器的运动构件的静态或动态变形，所述构件的热膨胀，等等)所引起的测量误差的系统。 
一般来说，还要考虑对转换器标尺的热膨胀的补偿，该补偿基于温度的测量和已知的标尺的膨胀系数。为此，后者优选由具有低的热膨胀系数的材料制成，或无论如何由具有已证实的热膨胀的材料制成，这就使得其成本变高。 
发明内容
本发明的目的是提供一种测量机，其具有用于补偿由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差的可选系统，以及一种补偿所述误差的方法。 
上述目的通过如下测量机来实现，该测量机包括：在平行于轴的方向上运动的至 少一个构件；以及检测所述运动构件沿所述轴的位置的线性转换器，该转换器包括平行于所述轴延伸的标尺以及由所述运动构件承载并与所述标尺协作的第一读取头，所述测量机的特征在于，该测量机包括用于补偿由所述标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统，该系统包括由所述运动构件承载的附加传感器，以及与所述第一读取头和用于检测与所述标尺的热膨胀状态相关的数据的所述附加传感器相协作的处理工具。 
本发明还涉及一种方法，该方法用于校正测量机中由线性转换器的标尺的热膨胀所引起的测量误差，该测量机包括在平行于标尺的方向上运动的至少一个构件，以及由所述运动构件承载并与所述标尺相协作的第一读取头，所述方法的特征在于，该方法使用由所述运动构件承载的附加传感器，以及与所述第一读取头和用于检测与所述标尺的热膨胀状态相关的数据的所述附加传感器相协作的处理工具。 
附图说明
为了更好地理解本发明，下面以非限制性示例的方式参考附图描述了三个优选的实施方式，其中： 
图1是测量机的示意性立体图，该测量机设有光学标尺和用于补偿由光学标尺的热膨胀所引起的测量误差的系统； 
图2是示出补偿系统的第一实施方式的视图； 
图3是补偿系统的第二实施方式在第一操作条件下的示意图； 
图4示出了在第二操作条件下的图3的系统； 
图5是补偿系统的第三实施方式在第一操作条件下的示意图；以及 
图6示出了在第二操作条件下的图5的系统。 
具体实施方式
参考图1，坐标测量机作为整体由标记1指示。该机器1包括具有水平面顶表面3或参考面的工作台2。机器1还包括马达驱动的滑动架5，该滑动架5在工作台2上沿着测量空间的笛卡尔参照系统X，Y，Z的第一水平轴(Y轴)滑动。 
滑动架5具有桥结构并包括两个竖直的支柱6，7和在支柱6，7的顶端之间延伸的顶部水平横向构件8。 
支柱6包括位于底部的马达驱动的滑块9，该滑块平行于Y轴在导轨10上滑动， 并且以已知的方式设置在工作台2的顶部纵向边缘的附近。 
横向构件8承载第二滑动架11，该滑动架被设计为沿着平行于参照系统的第二轴(X轴)方向上的导轨(未示出)在该横向构件上滑动。 
第二滑动架11承载具有竖直轴的主轴12，其沿着与参照系统的第三轴(Z轴)平行的其自身的轴移动。主轴12被设计为在底部处承载测量传感器(未示出)。 
机器1包括用于每个轴的线性转换器，用于检测相应的运动构件在其自身的轴上的位置。特别地参考滑动架5和Y轴，线性转换器包括固定至工作台2且平行于Y轴的光学标尺14(参见图1中放大的细节)，以及固定至滑块9且与光学标尺14相协作的第一读取头15。 
光学标尺14以已知的方式具有以恒定的间隔例如每20微米分开布置的刻痕17，以及多个以更大的间隔例如50毫米或100毫米分开布置的参考标记18，在图2中仅能看到其中一个，其可用于重置读取头15。 
根据本发明，机器1包括用于确定和补偿由光学标尺14的热膨胀所引起的测量误差的系统16。系统16基本上包括安装在滑块9上的附加传感器，以及与第一读取头15和附加传感器相连接的处理单元19。 
在图2示出的实施方式中，附加传感器由与光学标尺14关联的第二读取头20构成。 
第一和第二读取头15，20沿着Y轴以已知的距离D相互间隔开。距离D目前是已知的，其可被认为在温度变化或其他相关的已知变化时大体上保持恒定。例如，这两个读取头15，20可安装在杆21上，该杆由热膨胀系数极低的材料制成，例如微晶玻璃
Figure BSA00000878769100031
(肖特公司(Schott AG)的注册商标)，或由具有已知热膨胀系数的其它材料制成。杆21方便地安装在滑块9上，以使滑块9和杆自身之间能够有不同的热膨胀。 
下文将描述示例中所述的补偿由光学标尺14的热膨胀所引起的测量误差的方法。 
首先，读取头15和20在光学标尺14上的相同的参考标记18处被重置。为此，滑动架5被连续地移动到第一位置及第二位置，在第一位置中标记18由第一读取头15读取，在第二位置中标记18由第二读取头20读取。 
一旦两个读取头15，20都在相同的标记18上被重置，滑动架5被移动到与前述 位置不同的第三位置(图2)。每个读取头15，20各自检测其自身在光学标尺14上的位置。两个读取头15，20之间的距离随后作为相应的读数L1，L2之间的差值来计算。 
通过比较已知距离D的值和读数L1和L2之间的差值，就可计算出标尺因子 
SF＝D/(L1-L2)  [1] 
利用该因子，可以校正由机器在测量步骤中检测到的坐标。 
在D相对于温度而不恒定的情况下，等式[1]变成 
SF＝Dref·(1+α(T-Tref))/(L1-L2)  [2] 
其中，Dref是在参考温度Tref例如20℃时的D的值。 
在图3示出的实施方式中，附加传感器由配置为测量距固定参考点25的距离的距离传感器24构成，该固定参考点相对于光学标尺14的点26是固定的，光学标尺14相对于机器1的工作台2是固定的。 
由于距离传感器比读取头的成本更低，这个实施方式目前比之前的实施方式更具经济优势，该实施方式在参考温度Tref的条件下需要初始校准的操作(图2)，其中固定参考距离Dref的距离由距离传感器测量，滑动架5被设置为使得读取头15位于参考标记18处。 
在操作温度T的情况下(图4)，在执行测量循环之前，根据本发明的方法包括以下步骤： 
-在操作温度T时将滑动架5设置为使得读取单元15位于参考位置处； 
-在操作温度T时，借助距离传感器24来测量距固定参考点的距离DT； 
-计算差值S＝DT-Dref，其中假设读取头15和传感器24之间的距离是常数，则作为热膨胀的结果，该差值等于参考标记18相对于光学标尺14的固定点26的位移E。 
数值S可用于计算校正值，并且用于借助所述校正值来校正所述机器检测到的测量数据。 
举例来说，如果M是在参考温度下参考标记18距固定点26的距离，则校正值可由通过应用以下表达式计算出的标尺因子FS来限定： 
SF＝M/(M-S)    [3] 
图5和6所示的是本发明的第三实施方式，其中附加传感器由光学检测器30构 成，该光学检测器配置为当其检测参考标记18时产生用于使读取头15读取光学标尺14的启动信号31。换句话说，在光学检测器30经过参考标记18的那一刻，读取头15对于光学标尺14的读取被“冻结”。 
在参考温度Tref和操作温度T时重复该操作。通过读取头的两个读数Lref和L可以确定标尺因子： 
FS＝Lref/L    [4] 
公式[3]和[4]适用于假设读取头和附加传感器之间的距离为恒定的情况。在所述距离不为恒定并以已知方式随温度变化的情况下，可以容易地对该公式进行修改。 
在上述每一个实施方式中，所述标尺因子FS构成校正值，借助于该校正值，对由测量机得出的并经由处理单元19获取的测量结果进行校正，以补偿由光学标尺的热膨胀所引起的误差。 
最后，在不脱离由随附的权利要求所限定的保护范围的情况下，显然可以对这里所述的机器1和补偿系统16做出修改和变形。 
特别地，该机器可以不同于上述的类型，该补偿系统可被应用于机器的任何移动构件，附加传感器可以是任意类型，并且读取头和附加传感器的信号可以以任何适当的方式进行处理，以产生一个或多个用于补偿由光学标尺的热膨胀引起的测量误差的校正值。 

Claims (10)

1.一种测量机(1)，该测量机包括在平行于轴(Y)的方向上运动的至少一个构件(5)和用于检测所述运动构件(5)沿所述轴(Y)的位置的线性转换器，所述转换器包括平行于所述轴(Y)延伸的标尺(14)和由所述运动构件(5)承载并与所述标尺(14)协作的第一读取头(15)，所述测量机的特征在于，所述测量机包括用于补偿由所述标尺(14)的热膨胀所引起的测量误差的系统，所述系统包括由所述运动构件(5)承载的附加传感器(20；24；30)，以及与所述第一读取头(15)和用于检测与所述标尺(14)的热膨胀状态相关的数据的所述附加传感器(20；24；30)相协作的处理工具。
2.根据权利要求1所述的测量机，其特征在于，所述附加传感器由与所述标尺(14)相协作的第二读取头(20)构成。
3.根据权利要求2所述的测量机，其特征在于，所述第一读取头(15)和所述第二读取头(20)沿着所述轴(Y)以距离(D)相互间隔开，所述距离(D)不随温度变化或以已知的方式随温度变化。
4.根据权利要求2所述的测量机，其特征在于，所述第一读取头(15)和第二读取头(20)相对于设在所述标尺(14)上的共同的参考标记(18)而被重置。
5.根据权利要求1所述的测量机，其特征在于，所述附加传感器由距离传感器(24)构成，该距离传感器被配置为用于测量距相对于所述标尺(14)的固定点(26)固定的固定参考点(25)的距离。
6.根据权利要求1所述的测量机，其特征在于，所述附加传感器由检测器(30)构成，该检测器(30)被配置为用于检测所述标尺(14)上的参考标记(18)，所述处理工具(19)被配置为用于在所述检测器(30)检测所述参考标记(18)时记录所述第一读取头(15)的读数。
7.一种用于校正测量机中由线性转换器的标尺(14)的热膨胀所引起的测量误差的方法，所述测量机包括在平行于所述标尺(14)的方向上运动的至少一个构件(5)，以及由所述运动构件(5)承载并与所述标尺(14)相协作的第一读取头(15)，所述方法的特征在于，该方法使用由所述运动构件(5)承载的附加传感器(20；24；30)，以及与所述第一读取头(15)和用于检测与所述标尺(14)的热膨胀状态相关的数据的所述附加传感器(20；24；30)相协作的处理工具(19)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述附加传感器由第二读取头(20)构成，所述第二读取头与所述标尺(14)相协作并且设置在距所述第一读取头(15)为距离(D)的位置处，该距离不随温度变化或以已知的方式随温度变化，所述方法包含以下步骤：
-将所述运动构件(5)设置在第一重置位置，此时所述第一读取头(15)位于所述标尺(14)的参考标记(18)处；
-将所述运动构件(5)设置在第二重置位置，此时所述第二读取头(20)位于所述标尺(14)的同一参考标记(18)处；
-将所述运动构件(5)设置在第三位置；
-基于在所述第三位置中所述第一读取头(15)和所述第二读取头(20)的读数(L1，L2)，计算所述第一读取头(15)和所述第二读取头(20)之间的距离；
-通过对基于在所述第三位置中所述第一读取头(15)和所述第二读取头(20)的读数(L1，L2)计算出的所述距离，与已知的所述距离(D)或作为温度的函数计算出的所述距离(D)的值进行比较，计算出至少一个校正值(SF)；并且
-借助于所述校正值(SF)，对由所述测量机(1)检测到的测量数据进行校正。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述附加传感器由距离传感器(24)构成，该距离传感器配置为用于测量距固定参考点(25)的距离，所述固定参考点相对于所述标尺(14)的固定点(26)固定，所述方法包含以下步骤：
-在参考温度的条件下，设置所述运动构件(5)，使得所述第一读取头(15)位于参考位置处；
-在所述参考温度的条件下，借助所述距离传感器(24)来测量距所述固定参考点(25)的距离(Dref)；
-在操作温度下，设置所述运动构件(5)，使得所述第一读取单元(15)位于所述参考位置处；
-在所述操作温度的条件下，借助所述距离传感器(24)来测量距所述固定参考点(25)的距离(DT)；
-基于在所述参考温度和所述操作温度下检测到的距离(Dref，DT)的值，计算出至少一个校正值(SF)；以及
-借助于所述校正值(SF)来校正由所述测量机检测到的测量数据。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述附加传感器由检测器构成，该检测器配置为用于检测所述标尺(14)上的参考标记，所述方法包含以下步骤：
-响应于在参考温度的条件下所述检测器(30)对所述参考标记(18)的检测，利用所述第一读取头(15)获取第一读数(Lref)；
-响应于在操作温度的条件下所述检测器(30)对所述参考标记(18)的检测，利用所述第一读取头(15)获取第二读数(LT)；
-基于所述第一和第二读数计算出至少一个校正值(SF)；以及
-借助于所述校正值(SF)来校正由所述测量机检测到的测量数据。
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