CN105682831B - 用于检查数控机床定位精度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检查数控机床的定位精度的方法，数控机床具有机床工具头和机床工作台，使用x，y，z坐标系，其中，z坐标是垂直于机床工作台表面的坐标，该方法包括如下步骤：a)在机床工作台上排列多个容器，其中，这些容器相互流体连接以形成连通容器系统，其中，连通容器系统注满液体；b)在机床工具头安装距离传感器；c)将机床工具头定位到垂直于容器中的一个的液体表面的位置；d)将距离传感器接近液体的表面并确定距离传感器接触液体表面的z坐标，或，对于z方向上的液体表面之上的机床工具头的预确定位置，确定距离传感器和液体表面间的距离；其中，对于每个容器重复步骤c)和步骤d)以确定相应的液体表面的z坐标。

Description

用于检查数控机床定位精度的方法和系统
本发明涉及用于检查数控机床，尤其是具有机床工具头和机床工作台的龙门机床，定位精度的方法和系统。在数控(CNC)机床中，机械加工或处理的部件被安装到数控机床的机床工作台上。计算机程序控制机床工具头关于机床工具头到特定位置或沿着机械加工或处理操作执行的特定路径的移动。
鉴于不同的误差源(如，制造公差，错位等)，机床工具头通常会到达或移动到偏离依据CNC程序或控制的理论的(理想的)位置的一个位置。这种情况下，会出现位移或定位误差。潜在误差有时被分类成静态或动态定位误差，其中，静态定位误差由机械的几何结构，结构硬度等导致的，而动态误差则是基于伺服参数，加速度等。
为了纠正或补偿定位或位移误差，首先，应当测量或确定这些误差。现有技术提供了不同的使用激光追踪仪或干涉仪伸缩球棒(telescoping ball bar)的误差测量方法。
根据数控机床的几何结构和/或尺寸，这些传统方法并不总是适合的。例如，在大型机床的情况下，在不同的位置，由于安装在机床工具头处的反射器距离激光源太远，使得无法进行可靠位置确定。鉴于此，存在对确定数控机床定位精度的改进的方法和系统的需求，特别是，对于大型机床。
因此，本发明提供了用于检查数控机床定位精度的方法和系统和装置。
尤其是，提供了一种确定数控机床定位误差的方法，机床具有机床工具头和机床工作台，使用x，y，z(笛卡尔)坐标系，其中，z坐标是垂直于机床工作台表面的坐标，该方法包括如下步骤：
a)在机床工作台上排列多个容器，其中，这些容器相互流体连接以形成连通容器系统，其中，连通容器系统注满液体；
b)在机床工具头安装距离传感器；
c)将机床工具头定位到垂直于容器中的一个的液体表面的位置；
d)将距离传感器接近液体的表面并确定距离传感器接触液体表面的z坐标，
或，
对于机床工具头的预确定的z坐标，确定距离传感器和液体表面间的距离；
其中，对于每个容器重复步骤c)和d)以确定相应的液体表面的z坐标。
该方法可用于许多不同的数控机床的几何结构和/或尺寸的z方向上定位或几何精度的确定。机床工具头被移动到对应多个容器中的一个的位置的 x-y位置。这种情况下，传感器被放置于所述容器中的液体的表面上(由数控机床控制给出的高度或z坐标)，允许液体表面高度或水平面的确定。可以以非接触的方式执行这种确定，如，通过测量距离传感器或机床工具头与液体表面间的距离。作为替代方案，液体表面可从上方而被接近(如，沿着 z轴方向)，直到传感器接触到液体表面。由于容器的排列形成了连通容器系统，所有容器的液体表面的高度或z坐标是相同的。因而，理论上或理想情况下，对于所有容器，数控机床系统确定的z坐标应当是相同的。因此，一个容器到另一个容器的z坐标的任何偏离或偏差允许定位精度和z方向的定位误差的确定。
由在所有x-y位置上具有相同水平面的连通容器给出的“参考系统”允许使用通常意义上的不精确数控机床以测量和确定其自身和固有的误差。通过对每个容器重复步骤c)和d)，可获得在不同容器位置的液体表面的z坐标的地图。
数控机床可为龙门机床。
不同类型的距离传感器是可能的。例如，距离传感器可为非接触距离传感器。特别是，可为激光距离传感器，微波距离传感器或雷达距离传感器。这些传感器，例如，通过飞行时间测量可快速和精确的确定传感器和/或机床工具头与液体表面间的距离。对于这些情况，优选的，所使用的液体是电磁波反射的。例如，当使用激光距离传感器，液体可为对于激光来说是非透明的。
作为替代方案，在步骤a)，液体是电解质溶液，以及电极元件，称为容器电极，与每个容器的电解质溶液相接触地放置；在步骤b)，距离传感器包含电极元件，称为工具头电极，该工具头电极被安装在机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同；步骤c)包括将工具头电极接近容器中电解质溶液的表面；以及步骤d)包括通过或经由确定工具头电极和相应容器电极间的电势差来确定工具头电极接触的溶液表面的z坐标。
换言之，本发明提供了一种确定数控机床定位误差的方法，机床具有机床工具头和机床工作台，使用x，y，z(笛卡尔)坐标系，其中，z坐标是垂直于机床工作台表面的坐标，该方法包括如下步骤：
a)在机床工作台上排列多个容器，其中，这些容器相互流体连接以形成连通容器系统，其中，连通容器系统注满电解质溶液，以及其中电极元件，称为容器电极，与每个容器的电解质溶液相接触地放置；
b)将电极元件，称为工具头电极，安装到机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同；
c)将工具头电极接近容器中的电解质溶液的表面；
d)通过或经由确定工具头电极和相应容器电极间的电势差来确定工具头电极接触的溶液表面的z坐标；
其中，对于每个容器重复步骤c)和d)以确定相应的溶液表面的z坐标。
依据该替代方案，工具头电极从上方(如，沿着z轴方向)接近无盖容器中的电解质溶液的表面。由于使用不同的电极，如，不同材料的电极，一旦工具头电极接触到电解质溶液就会产生电势差，类似于伽凡尼电池的情况。这使得系统可以在高精度上确定电解质溶液表面的z坐标。
电解质溶液可为盐溶液。
每个容器电极可被放置和/或排列以使其可被电解质溶液浸湿。例如，电极元件，容器电极，可被放置在每个容器内。作为替代方案，每个容器电极可被内嵌到容器壁中(但与电解质溶液接触)或可从容器外侧刺入容器壁。作为进一步的替代方案，容器电极可被作为容器侧壁或底部的部件，例如，作为容器的基本部件。
步骤c)和步骤d)可包括在从接近溶液表面直到超过预确定的电势差阈值时，周期性和/或连续性地确定电势差。该规律的和/或连续的电势差检测可以非常精确地确定电势何时接触到电解质溶液表面。当容器电极接触到溶液表面时，将出现电势差的突增。通过提供预确定的阈值，测量过程期间的噪声可被可靠的忽略。
在此描述的方法中，在步骤d)中，一旦电势差的增加，特别是超过预确定的电势差，可被确定，可立即终止接近。
简单起见，“电势差”可指的是测量到的电势差的绝对值，以避免任何由于符号导致的复杂化。
该种立即终止减少了时间消耗并加速了整个方法。电势差的确定可包含电势差测量设备。数控机床的控制可周期性和/或连续性轮询或抽样检查电势差测量设备以确定电势差的增加，特别是超过预确定的阈值，是否已经发生，随后停止信号发送到机床工具头驱动部件。可取代的，电势差测量设备可被配置以自动向数控机床发送与检测到的电势差相关的指示信号。该指示信号可被周期性的发送或仅在检测到电势差增加，特别是超过预确定阈值的情况下发送。指示信号可包含确定的电势差和/或(仅)预确定阈值已被超过的指示。
可以恒定的速度接近表面，尤其是，直到估计的溶液表面的水平面之上的预确定距离。例如，速度可在2毫米/分钟到20毫米/分钟之间。
容器电极可为金属电极，如，铝制电极。工具头电极可包含防水材料。在面向溶液表面的一侧，工具头电极可具有尖端形状；可具有球状和/或圆锥状。工具头电极可为石墨电极，铜电极或银电极。
防水或疏水电极，如石墨电极，的使用，具有避免或至少减少测量中的失真或误差(例如，由于一些当接近溶液表面时的毛细效应和/或由于溶液的液滴粘附在工具头电极上导致的)的优点。
每个容器电极和工具头电极可电连接到电势差测量设备，例如，电压表。可替换的，每个容器电极可电连接到机床工作台的电气接地。
上述方法的步骤c)和d)可自动执行，特别是，经由数控机床相应程序。例如，容器的x-y位置以及估计的液体，特别是电解质溶液，的表面的高度和水平面以及容器间的移动路径可被在编程进数控机床。这使得可有效执行所述检测定位精度的方法。
上述方法的步骤a)可包括：
将光发射器安装到机床工具头；
将放置容器的位置的x-y坐标编程进数控机床；
使用机床工具头接近每个x-y坐标；
将容器安装在光发射器的光斑标识的机床工作台上的位置。
这种情况下，安装容器的位置以简单的方式标识。进一步的，容器位置的x-y坐标可只被编程一次并且，随后，可被用于安装容器和随后的多个容器中的一个的液体表面之上定位工具头和/或接近电解质溶液表面的步骤，从而，导致高效的过程。光发射器可为激光发射器。
通常来说，可使用任意数量的容器。已有的两个容器可确定工具容器位置间的z坐标的偏离或偏差。尤其是，当使用多于两个容器时，容器可以以一维或二维阵列的方式排列。尤其是，容器可被置于点阵的格点；例如，可使用矩形或正方形点阵。
原则上，容器可以以任何方式流体连接以形成连通容器系统。例如，容器可连接每个下一邻居。如果容器被排列在格点，每个容器可与邻居格点上的容器流体连接。流体连接可通过管来实现。管可为灵活的软管或刚性管。
所述方法可进一步包括补偿z方向上定位误差的步骤。
该种补偿可以以不同的方式获得。例如，补偿可能涉及机床的机械重排或重对齐。可替代的或其他的，软件补偿可在数控机床的控制中实现。不同的软件补偿的算法是已知。例如，可使用在邻居容器位置的误差或偏差中进行线性插值而产生的线性补偿。
本发明进一步提供了用于检查数控机床定位精度的装置，该装置包括相互流体连接以形成连通容器系统的多个容器，其中连通容器系统注满液体。液体可为电解质溶液，以及电极元件，称为容器电极，可与每个容器的电解质溶液相接触地放置。
该装置可实现上述方法的特性。
上述与方法关联的特征可在装置的环境中被提供。例如，每个容器电极可被放置在容器内或可为容器的部件；可为金属电极和/或容器可以以阵列的方式排列。
装置可包含支架，容器安装在支架上。通过该支架，在数控机床上安装或卸载装置，尤其是容器排列，被简化和加速。
本发明同样提供了一种检查定位精度的系统，该系统包括：
具有机床工具头和机床工作台的数控机床；
之前描述的用于检查定位精度的装置；
其中，距离传感器被安装到机床工具头。
数控机床可为龙门机床。
系统可被进一步配置以执行上述方法。尤其是，距离传感器包含电极元件，称为工具头电极，该工具头电极被安装在机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同，以及，系统进一步包含电势差测量设备，该设备被配置以测量容器电极与工具头电极间的电势差。工具头电极可为石墨电极。
在该系统中，数控机床可被编程以将机床工具头定位到垂直于容器中的一个的液体表面的位置，以及确定距离传感器接触液体表面的z坐标，或，对于机床工具头的预确定的z坐标，确定距离传感器和液体表面间的距离，其中，针对每个容器重复定位和确定步骤以确定相应的液体表面的z坐标。
在使用电极元件的情况下，数控机床可被编程以使用工具头电极接近容器中电解质溶液的表面并通过确定工具头电极与相应容器电极间的电势差来确定工具头电极接触溶液表面的z坐标，
其中，针对每个容器重复接近和确定步骤以确定相应的液体表面的z坐标。
使用电势差，系统允许快速和可靠的数控机床定位精度的检查。
CNC可被编程以补偿z方向上的定位误差。
参考附图来描述本发明的各个方面。
图1是龙门机床情况下的检查定位精度的系统的示意图；
图2示例性示出了用于检测定位精度的装置的一部分；以及
图3示例性示出了用于检测定位精度的装置。
图1是具有机床工具头2和机床工作台3的龙门机床1的示意图。移动横梁4停留在每一侧的轨道5上，这些轨道，理论上或理想情况下，是平行排列的。在龙门机床的建设阶段，所有机械元件都是精确对齐和水平的。
通常使用笛卡尔坐标系描述系统，其中，x和y坐标展开了一个与工作台3平行的面，而z坐标与之垂直。在该示例中，横梁4在y方向上移动，工具头2沿着横梁4在x方向上移动。当机床工具头2处于特定z坐标的位置时，其在工作台3之上的高度应总是一样的，无需考虑x-y位置。
虽然，由于不同的误差源，如，负载承载结构件的偏差和或不对称，机床工具头2在工具台3之上的实际高度对于不同x-y位置是变化的。
为了确定偏差或(静态)误差，可在机床工作台3上提供用于检查定位精度的装置6。
装置6包括排列在机床工作台3上的多个容器7。在示出的该实施例中，容器7以二维阵列的形式排列，尤其是在矩形点阵的格点。
每个无盖容器为圆柱形。例如，容器可高15厘米，内径1厘米。圆柱体壁可由透明树脂或玻璃制成。当然，也可能是其他几何形状，尺寸和材料。
如图2所示，每个容器注满了电解质溶液8。例如，可使用NaCl浓度在5％到30％之间的盐溶液。每个容器7与其邻居流体连接(沿着格点轴) 以便形成连通容器系统。另一方面，每个容器中的电解质溶液的液体水平面具有相同高度；如果向一个容器内添加电解质溶液，所有容器的水平面都将抬升。
通过管9实现流体连接。这些管9可为灵活的软管或刚性管。
每个容器7中，电极10浸在电解质溶液8中。这些浸入的电极10可被称为容器电极。在机床工具头2上可安装电极11。电极11可被安装作为机床工具头2的主轴12的工具。安装到机床工具头的电极可被称为工具头电极。
容器电极10和工具头电极11可由不同材料制成。例如，容器电极10 由铝制成，工具头电极11由石墨制成。也可使用其他材料。例如，容器电极10和工具头电极11均由金属制成；但是，是不同的金属。
工具头电极11朝向电解质溶液越来越窄。例如，在面向容器或工作台的一面(如，与工具头或主轴相对的面)，工具头电极11为具有尖端的圆锥形。为了避免电解质溶液的液滴粘附在工具头电极11和/或为了避免任何当接近电解质溶液表面时的毛细效应，工具头电极可包含疏水或防水材料，至少在尖端处。在石墨电极的情况下，电极材料同样已经是疏水的了。当使用金属电极，至少尖端部分可被处理以达到预期的防水效果。
工具头电极11经由线缆14电连接到电势差测量设备13(如，电压表)。容器电极同样经由线缆连接到电势差测量设备。例如，这些线缆可被安排在管9中，例如，以使邻居容器内的容器电极互相电连接。在某一情况下，经由线缆，可向电压表提供容器系统外的电触点。在这种情况下，容器电极10 与工具头电极11间的电势差可被测量。
作为将容器电极放入每个容器的替代方案，容器自身的部件可被用于形成容器电极。例如，容器的基座可由铝制成，玻璃或树脂制成的(圆柱形) 壁被安装在该基座上。在这种情况下，容器基座作为容器电极并可通过线缆与外部电接触以提供与电势差测量设备间的电连接。如果容器基座构成容器电极，容器可被以确保与工作台电接地电接触的方式固定在工作台上。在这种情况下，可避免从容器电极到电势差测量设备的布线。
作为进一步的替代方案，容器电极可被内嵌到容器壁或可以液体无法透过的方式从外部刺入容器壁。
应当理解到的是，上述安排和过程并不限于用于龙门机床，可同样应用于其他数控机床。
图3示例性示出了用于检测定位精度的其他装置。在该实施例中，容器 7被固定安装在支架15上。在该种方式下，装置6可被容易的排列在工作台以及在测量过程执行后被移除。
在图3所示示例中，容器7被排列在点阵的格点上。当然，其他容器排列方式同样是可能的。使用的容器的数量和他们之间的距离可依据期望的测量过程的精度而不同。例如，容器可以以10厘米到50厘米的间隔分开。
尤其是当容器被直接安装到工具台时(也当其被安装到分别的支架上时)，其期望的或预期的x-y坐标中的位置可被编程到数控机床的控制中。随后，一些光发射器，如，激光指示器，以光束直射工作台的方式，如，与 z轴平行，安装到机床工具头。操作者指示数控机床移动工具头到第一容器位置。
当到达该位置时，机床工具头被停止，工具台上的光放射器的光斑指示安装第一容器的位置。在指示的位置手动排列和固定容器后，操作者指示数控机床移动机床工具头到下一位置，该位置是安装第二容器的光束光斑的位置。重复该过程直到所有容器都被排列在工作台上。
这些容器相互流体连接以形成连通容器系统并注满电解质溶液。原则上，容器中的电解质溶液的水平面可随机选取。例如，水平面可在低于容器上边缘(如，容器开口)3mm到10mm处。
CNC机床进一步被编程以通过x-y面上的移动以接近每个容器的x-y 位置，随后经由容器上部开口处沿z方向移动以接近电解质溶液的表面。z 方向上的移动被控制以使工具头电极11到达或接触到电解质溶液时停止。在这种情况下电势差测量设备13测量电势差。一旦工具头电极接触到电解质溶液的表面，就会产生两个电极间的电压差或电势差，类似于伽凡尼电池。
当接近电解质溶液表面的时候，机床工具头，首先，可以以高速(如， 20毫米/分钟)移动直到工具头电极的尖端在容器开口的水平面。随后，z 方向上的速度被减少，如，到3毫米/分钟。电势差测量设备13连续地监视或测量电势差。如果电势差超过预确定的阈值，例如，0.1V，则设备13在其存储器中存储一个指示值。例如，指示参数可为值1。如果未检测到电势差(或如果电势差低于预确定的阈值)，则指示参数被设置为0。
数控机床的控制周期性读取指示值。如果参数为1，则控制停止机床工具头的移动并记录该位置的z坐标。
根据一个可替换的实施方式，电势差测量设备13自身被配置以生成指示信号(指示测量到的电势差超过预确定的阈值)，该指示信号被发送到数控机床的控制，因而触发机床工具头停止。在该情况下，数控机床不周期性采样设备13，机床工具头的接近速度可被增加，如，增加到20毫米/分钟。
另一个可替代实施例中，指示值可周期性的从设备13发送到数控机床的控制，如，每2毫秒。在第一容器中的电解质溶液的水平面对应的z坐标被确定之后，机床工具头在z方向上回缩，并接着移动到下一容器的x-y位置。在那，重复相同的接近电解质溶液表面的过程。在确定所有容器中的电解质溶液的表面对应的z坐标之后，对于多个x-y位置获得了偏差图。
该偏差图随后被用于纠正系统，经由数控机床的结构路径的机械重排和 /或经由数控机床软件的补偿。
作为软件补偿的示例，容器位置中的一个可被作为参考点。考虑到该参考点，z方向的控制被纠正或补偿，以使，对于数控控制，对于所有容器的 x-y位置来说电解质溶液的表面将处在同一z坐标。对于容器间的位置，可使用线性插值。
除了通过上述电势差或电压测量方式确定容器内液体的表面或高度，还可以使用非接触距离传感器。在这种情况下，液体可以不是电解质溶液，可为任何液体，如水；进一步的，无需在容器内设置电极。非接触距离传感器可为激光距离传感器，微波距离传感器或雷达距离传感器。距离传感器被安装在机床工具头，该机床工具头在预确定高度(常数)或z坐标上的x-y平面中被移动到每个容器的x-y位置。对于每个容器，传感器和/或机床工具头到液体表面的距离被测量，通过该距离可确定液体表面的z坐标。在该方式下，又一次对于多个x-y位置获得了水平表面的图。
依赖于定位精度检查期间的周围条件和/或时间周期，可考虑到容器内液体的蒸发。可通过相应测量(如，使用蒸发计)和/或计算机仿真(如，分子动力学仿真)来获得。随后，测量得到的液体表面的z坐标中的蒸发效应可，如，经由相应计算机程序来补偿。

Claims (22)

1.一种检查数控机床(1)的定位精度的方法，数控机床(1)具有机床工具头(2)和机床工作台(3)，使用x，y，z坐标系，其中，z坐标是垂直于机床工作台表面的坐标，该方法包括如下步骤：
a)在机床工作台上排列多个容器(7)，其中，这些容器相互流体连接以形成连通容器系统，其中，连通容器系统注满液体(8)；
b)在机床工具头安装距离传感器；
c)将机床工具头定位到与垂直于容器中的一个的液体表面的位置；
d)将距离传感器接近液体的表面并确定距离传感器接触的液体表面的z坐标，
或，
对于机床工具头的预确定的z坐标，确定距离传感器和液体表面间的距离；
其中，对于每个容器重复步骤c)和d)以确定相应的液体表面的z坐标。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述数控机床(1)是龙门机床。
3.如权利要求1所述的方法，其中，距离传感器是非接触距离传感器，。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述非接触距离传感器是激光距离传感器、微波距离传感器或雷达距离传感器。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)，液体是电解质溶液和电极元件，称为容器电极(10)，与每个容器的电解质溶液相接触地放置；在步骤b)，距离传感器包含电极元件，称为工具头电极(11)，该工具头电极被安装在机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同；步骤c)包括将工具头电极接近容器中电解质溶液的表面；以及步骤d)包括通过确定工具头电极和相应容器电极间的电势差来确定工具头电极接触的溶液表面的z坐标。
6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤c)和步骤d)包括从接近溶液表面开始直到超过预确定的电势差阈值时，周期性和/或连续性地确定电势差。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，在步骤d)中，一旦电势差的增加被确定，立即终止接近。
8.如权利要求7所述的方法，其中，一旦电势差超过预确定的电势差阈值被确定，立即终止接近。
9.如权利要求5所述的方法，其中，容器电极为金属电极和/或工具头电极为石墨电极。
10.如权利要求1所述的方法，其中，步骤c)和步骤d)以自动的方式被执行。
11.如权利要求10所述的方法，其中，步骤c)和步骤d)经由数控机床的相应程序以自动的方式被执行。
12.如权利要求1所述的方法，其中，步骤a)包括：
将光发射器安装到机床工具头，
将放置容器的位置的x-y坐标编程进数控机床，
使用机床工具头接近每个x-y坐标，
将容器安装在光发射器的光斑标识的位置。
13.如权利要求1所述的方法，其中，容器以阵列的方式排列。
14.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括补偿z方向上定位误差的步骤。
15.一种用于检查定位精度的系统，该系统包括：
具有机床工具头(2)和机床工作台(3)的数控机床(1)，
用于检查数控机床定位精度的装置，该装置包括多个相互流体连接以形成连通容器系统的容器(7)，其中连通容器系统注满液体(8)，
其中，距离传感器被安装到机床工具头。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述数控机床(1)是龙门机床。
17.如权利要求15所述的系统，其中，液体为电解质溶液，以及电极元件，称为容器电极(10)，可与每个容器的电解质溶液相接触地放置。
18.如权利要求17所述的系统，其中容器电极是金属电极。
19.如权利要求15或17所述的系统，其中，容器以阵列的方式排列。
20.如权利要求15所述的系统，该装置包含支架，容器安装在该支架上。
21.如权利要求15所述的系统，其中，距离传感器包含电极元件，称为工具头电极(11)，该工具头电极被安装在机床工具头，其中，工具头电极的材料与容器电极的材料不同，以及
该系统进一步包含电势差测量设备(13)，该设备被配置以测量容器电极与工具头电极间的电势差。
22.如权利要求15所述的系统，其中，数控机床被编程以将机床工具头定位到垂直于容器中的一个的液体表面的位置，
将距离传感器接近液体的表面以及确定距离传感器接触液体表面的z坐标，或，对于机床工具头的预确定的z坐标，确定距离传感器和液体表面间的距离，
其中，针对每个容器重复定位和确定步骤以确定相应的液体表面的z坐标。
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