CN104807419B - 补偿坐标测量机中由热致结构变形造成的测量误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种补偿坐标测量机中由热致结构变形造成的测量误差的方法。该测量误差由组件(1)的变形引起，该组件(1)限定了测量机的滑动轴，该方法包括步骤：根据当前温度(Tc)与参考温度(Tr)之间的差计算组件(1)的曲率，在参考温度(Tr)下已获得测量机的几何补偿图；根据该曲率计算用于存储在补偿图中的补偿参数的校正值；以及采用这些校正值更新补偿图。

Description

补偿坐标测量机中由热致结构变形造成的测量误差的方法
技术领域
本发明涉及一种补偿坐标测量机中由热致结构变形造成的测量误差的方法。
背景技术
众所周知，坐标测量机包括沿着坐标轴可移动的构件，用于在测量量程范围内移动测量传感器。通常地，可移动构件由可沿第一轴移动的第一支架、由第一支架承载并且相对于该第一支架可沿与第一轴正交的第二轴移动的第二支架以及由第二支架承载的并且相对于该第二支架可沿与第一轴和第二轴正交的第三轴移动的心轴组成。
特别地，本方法涉及由于机械结构组件的热变形导致的测量误差的补偿，该机械结构组件形成可移动构件的导轨。这些组件的特征在于，纵向尺寸显著大于其它尺寸的细长棱柱形。
该组件可构成相关滑动轴的可移动部件或固定部件。
这些组件的一些非限制性实施例，例如由以下组成：
-龙门式或悬臂式测量机的垂直轴或心轴；
-水平悬臂测量机的水平轴或臂；
-水平悬臂测量机的垂直轴或支柱。
通常地，如图1所示，形成了例如前述指定类型坐标测量机中的滑动轴的组件1由结构元件2以及安装在其上的一个或多个导向元件3(例如用于循环滚珠垫(recirculating-ball pad)的轨道或者用于气动垫(peumostatic pad)的滚轴或导向件)组成。结构元件2和导向元件3具有细长的棱柱形并且具有大致相同的长度。结构元件2通常具有较大的横截面尺寸，而导向元件3较细且更具柔性。
结构元件2与导向元件3之间的连接通常由螺纹连接件4提供，出于实际目的，螺纹连接件的尺寸以这样的方式提供使得组件1从结构角度上可认为是单件。
装配的组件1沿纵向方向在其大致整个长度上具有恒定的截面。
基于导向元件3在截面上的位置，该截面可以是非对称的，并且导向元件3的截面重心可与结构元件2的截面的中性轴不吻合。
非对称截面的示例在图2和3中示出：在图2中，结构元件2由中空的、四边形的截面梁构成，并且导向元件施加在结构元件2的表面上，沿着后者的平行边缘；在图3中，导向元件3设置在两个相反面上，沿着邻近第三面的边缘。
通常地，结构元件2和导向元件3由不同的材料制成，或者在它们以相同材料(例如钢)制成的情况下，由于不同制造工艺和所需的功能特性，材料的特性仍然会不同。
特别地，材料在线性热膨胀系数(CTE)方面可以存在差异。
使用中，组件经受着在使用测量机可允许的条件范围内的温度变化(例如，15-35℃)。该温度变化是作为时间变化；在这里不考虑沿着组件的空间温度梯度并且它们的效果可能与时间变化的效果重叠。
由于不同的线性热膨胀系数，温度变化引起结构元件2与导向元件3之间的不同的长度变化。于是，由于相对于中性轴的不对称性和非一致性，以及由于结构元件2与导向元件3之间的整体连接，产生了组件变形，尤其是组件的弯曲变形，并且因此在轴中产生几何变化(图4)，导致了测量误差。
发明内容
本发明的目的为提供一种补偿上述测量误差的方法。
上述目的由本发明实现，这里其涉及一种对由测量机的组件的几何变形引起的测量误差进行补偿的方法，所述组件限定了测量机的滑动轴并且包括装配在一起的结构元件和至少一个导向元件，该测量机配备有控制单元和在参考温度下获得的几何补偿图，并且在其中存储几何补偿参数，该方法的特征在于包括下述步骤：
-获得当前温度值；
-计算当前温度与参考温度之间的温度差；
-根据所述温度差，计算与组件的变形有关的至少一个变形参数；
-根据所述至少一个变形参数，计算用于存储在补偿图中的补偿参数的校正值；以及
-采用所述校正值更新补偿图。
附图说明
为了更好地理解本发明，这里将参照附图描述优选实施例，其中：
图1为限定了测量机的滑动轴的组件的第一实施例的立体图；
图2为图1中组件的截面图；
图3为图2中组件的可替代实施例的截面图；
图4为示出了组件的热致变形的视图；
图5为本发明方法的流程图；
图6为测量机的立体图，在该测量机上应用本发明的补偿方法；以及
图7为在图6中的测量机细节的放大前视图。
具体实施方式
本发明涉及一种消除由组件1上的热变形作用而引起的精度损失的方法，组件1形成坐标测量机中的滑动轴并且由结构元件2和一个或多个安装的导向元件3构成，例如，如参照图1至图3描述的组件。
根据本发明，对组件曲率的补偿可通过向在测量机上通常实施的几何补偿算法增加校正因子来进行。
该校正是基于下述认知：
-经由位于所考虑的组件上的温度传感器的测量而获得的关于初始参考情况的组件温度变化，或者当这种方式不可能时，经由位于测量机上的温度传感器的测量获得，以便提供与组件的温度对应的温度；
-温度和曲率之间的比例规律；采用一级近似(first approximation)，该规律可被认为是线性的并且可由实验获得，对由一个或多个被考虑的组件的示例组成的样本来进行测试，采用结构分析或经由结构计算来进行测试，考虑下述因素：
●结构元件和导向元件的线性热膨胀系数(CTE)之间的差异；
●结构元件和导向元件的形状；以及
●材料的弹性特性。
补偿是以与在测量机上通常实施的其他类型热/几何补偿相似的方式发生。
如在图5所示的流程图中，该方法包括下述步骤，在形成测量机一部分的控制单元中实施，或者在连接到测量机的外部计算机中实施：
-获得当前温度值Tc(模块10)；
-计算相对于在测量机几何作图时存储的参考温度Tr的温度变化(模块11)；
-通过上述比例规律计算组件的曲率(模块12)；
-计算校正参数，其与已经实施并使用的几何补偿模型兼容(模块13)：这里，校正参数意在作为对测量机几何作图时获得的且存储在补偿图中的参数的调整；以及
-更新补偿图(模块14)。
假设结构元件2和导向元件3被认为是在两端处通过联锁接头相互限制的梁，曲率可如下述进行计算。
导向元件3可以被认为是单一梁元件，具有下面的弹性特性：
E1＝材料的弹性模量
A1＝截面积
J1＝截面惯性弯矩
同样地，结构元件2可被认为是梁元件，具有下面的弹性特性：
E2＝材料的弹性模量
A2＝截面积
J2＝截面惯性弯矩
另外：
d＝结构元件2与导向元件3的中性轴之间的距离；
Delta_T＝相对于初始参考条件的温度变化；
Delta_CTE＝两种材料的线性热膨胀系数之间的差异；
组件的弯曲可采用下面的理论公式表示：
或者，更一般来说，采用下面的表述：
R＝SF*Delta_T*Delta_CTE*CF [2]
其中SF为结构计算因子，其可对应于解析表达式：
其包含在公式[1]中或者由数值模拟得到，例如使用有限元法从结构分析得到；以及
CF为实验校正因子，其理论值为1(可以注意到在SF由表达式[3]限定并且CF等于1的情况下，表达式[1]和[2]是一致的)。
在考虑的组件为例如龙门式或悬臂式测量机的心轴并且沿着其垂直轴Z可移动的情形中，由此计算的弯曲可以用于计算旋转和位移，其产生在探针的连接凸缘上，并且因此导致测量误差。
例如，图6示出了具有限定水平轴Y的T形支撑结构16的悬臂式测量机15，并且包括：
从支撑结构悬伸的水平臂17，相对于支撑结构沿着Y轴可移动并且限定水平轴X；
由臂17承载并且沿着X轴在臂17上可移动的滑动架18；以及
由滑动架承载并且通过其自身轴线Z垂直布置的心轴19。
心轴19包括结构元件2和导向元件3(参见图7中放大的细节)，并且如上所述，作为这样的组件：该组件的由结构元件2与导向元件3之间的热膨胀差异而导致的弯曲将要被补偿。在所考虑的情况下，结构元件2的中性轴和等同于导向元件3的梁元件以距离d在平行于Y轴的方向上彼此错开，并且因此心轴19的弯曲发生在Z-Y平面。
心轴19的下端限定了凸缘20，探针21可以固定至凸缘，并且因此需要计算由于心轴19在当前Z坐标处的弯曲的效果而导致的旋转和位移。
在凸缘20处的旋转角度Rzy由下面的表达式限定：
Rzy＝Rzy_m*(Z-Zv)， [4]
其中，Rzy_m为借助[1]或[2]计算的在ZY平面上的平均曲率；以及
Zv为测量机的尺寸特性，依赖于约束心轴19的模式并且代表凸缘旋转为零(连接点)处的高度。
在凸缘20处的位移由下面表达式限定：
Ly＝Rzy_m*(Z-Zv)2/2*Ly_CF， [5]
其中Ly_CF为实验校正因子，其理论值等于1。
计算的角度和位移被插入到补偿公式中，将它们添加到存在于测量机的补偿图的那些中。之后计算对测量点坐标做出的校正。
所述的计算在测量机操作过程中循环更新，并且优选以基本连续的方式，以便实时校正测量坐标。
补偿以直接的方式发生，并且在使用已经存在于测量机上的温度传感器的情况下，相对于传统测量机不需要额外的组件。

Claims (9)

1.一种补偿由测量机的组件(1；19)的几何变形引起的测量误差的方法，所述组件限定了所述测量机的滑动轴并且包括装配在一起的结构元件(2)和至少一个导向元件(3)，该测量机配备有控制单元和在参考温度(Tr)下获得的几何补偿图，并且在该几何补偿图中存储几何补偿参数，该方法的特征在于包括下述步骤：
-获得当前温度值(Tc)；
-计算所述当前温度值(Tc)与所述参考温度(Tr)之间的温度差；
-根据所述温度差，计算与所述组件(1)的变形有关的至少一个变形参数；
-根据所述至少一个变形参数，计算用于存储在所述补偿图中的所述补偿参数的校正值；以及
-采用所述校正值来更新所述补偿图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个变形参数为所述组件的曲率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个变形参数是借助于通过结构计算获得的规律来计算的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个变形参数是借助于实验获得的规律来计算的。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述规律为线性的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量机的所述组件为配备有凸缘(20)的心轴(19)，该凸缘用于探针(21)的连接，所述变形参数包括所述凸缘(20)的旋转和位移。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤在所述测量机的操作期间循环地执行。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤以基本上连续的方式执行。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前温度值通过温度传感器获得，所述温度传感器位于所述组件(1；19)上或者位于所述测量机上的位置处以便检测与所述组件的温度对应的温度。
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