CN106164617A - 带有碳纤维空气轴承的坐标测量机 - Google Patents

带有碳纤维空气轴承的坐标测量机 Download PDF

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J·郑
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Abstract

一种坐标测量机具有：基座，用于支撑目标；可移动组件，其具有用于检测所述目标的探针；以及导轨，该导轨沿着它的长度引导所述可移动组件以使所述可移动组件能移动。所述导轨包括碳纤维并具有导轨热膨胀系数。坐标测量机还具有空气轴承构件，其包围所述导轨并且与所述可移动组件固定联接。空气轴承构件具有构件热膨胀系数，该构件热膨胀系数约等于导轨设计热膨胀系数。

Description

带有碳纤维空气轴承的坐标测量机
优先权
本专利申请要求于2014年4月4日提交的发明名称为“带有碳纤维空气轴承的坐标测量机”的美国临时专利申请第61/975,045号的优先权，该美国临时专利申请声明Gurpreet Singh，John Langlais，Jessica Zheng和Joseph Spanedda为发明人，该美国临时专利申请通过引用整体纳入本文。
技术领域
本发明总体涉及坐标测量机，并且更具体地，本发明涉及用于坐标测量机中的空气轴承。
背景技术
尤其，坐标测量机(“CMM”，还被称为表面扫描测量机)测量几何形状和表面轮廓，或者核验已知表面的形貌。例如，CMM可以测量推进器的拓扑轮廓以确保对于特定任务，推进器的表面具有适当的尺寸和形状(例如，使24英尺的船以预定的速度穿过海水)。
为此，常规CMM典型地具有基座，该基座与具有探针的可移动组件直接连接并且支撑该可移动组件，所述探针直接接触被测量的目标并且沿着该被测量的目标的表面移动。基座还可以支撑被测量的目标。通常，可移动组件与导轨形成空气轴承，以允许沿着导轨移动-即，在整体上与导轨的纵轴相平行的方向上。如果空气轴承的空气隙不是一致的，那么探针可以相对于目标移动。不期望的是，该移动可以显著地使得测量结果偏离，特别是当测量达到微米水平时。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，一种坐标测量机具有：基座，该基座用于支撑目标；可移动组件，该可移动组件具有用于测量所述目标的探针；固定的导轨，该导轨沿着所述导轨的长度引导所述可移动组件以使所述可移动组件能移动。所述导轨包括碳(例如碳纤维)并具有导轨热膨胀系数。坐标测量机还具有空气轴承构件，该空气轴承构件包围所述导轨并且与所述可移动组件固定联接。所述空气轴承构件具有构件热膨胀系数，该构件热膨胀系数约等于所述导轨热膨胀系数。不同的实施方式将轴承构件的热膨胀系数设计为具有期望的热膨胀系数。
所述空气轴承构件可以具有超环面形状的构件(例如中空圆柱)，该超环面形状的构件完全围绕所述导轨(例如，所述导轨也可以为圆柱，除了其他形状之外)。尤其，所述超环面形状的构件可以包括非碳材料，例如金属或陶瓷。替换地，超环面形状的构件还可以由碳(例如碳纤维复合物)形成。
超环面形状的构件可以具有用于分配空气的槽以及多个通孔，所述通孔与所述槽流体连接以将空气朝向所述导轨引导。
空气轴承的一些实施方式包括套筒和由所述套筒支撑的至少一个超环面形状的构件。套筒和至少一个超环面形状的构件可以由不同材料形成。而且，一些实施例可以由所述导轨的两侧面形成空气轴承，并且所述导轨可以主要由碳纤维材料形成。空气轴承优选地为径向空气轴承。
根据本发明的另一个实施方式，一种方法提供了坐标测量机，该坐标测量机具有：可移动组件，该可移动组件具有探针；碳导轨，该碳导轨沿着所述碳导轨的长度引导件所述可移动组件以使所述可移动组件能移动；以及空气轴承构件，该空气轴承构件包围所述导轨并且与所述可移动组件固定联接。所述方法还将所述空气轴承构件的热膨胀系数与所述导轨的热膨胀系数匹配，并且迫使空气通过所述空气轴承构件以形成空气轴承，在所述空气轴承构件和所述导轨之间存在空气间隙。
当迫使空气穿过所述空气轴承构件并且所述空气轴承不沿着导轨移动时，所述空气间隙优选地在多个温度下保持基本恒定。所述方法还可以沿着所述导轨移动所述空气轴承。
附图说明
通过参考就在下面概述的附图讨论的以下“具体实施方式”，本领域技术人员应该更充分地理解本发明的各实施方式的益处。
图1A示意地示出了可以根据本发明的示例性实施方式构造的坐标测量机。
图1B示意地示出了可以与根据本发明的示例性实施方式的坐标测量机一起使用的界面面板。
图2示意地示出了根据示例性实施方式的坐标测量机的电动机械特征的细节。
具体实施方式
在示例性实施方式中，坐标测量机(“CMM”)具有更可靠的空气轴承系统以在两个、三个或更多方向上移动，例如朝向它的平台或远离它的平台移动，或大致平行于它的平台移动。为此，CMM具有碳导轨，该碳导轨配置为与它的空气轴承的至少一部分的热膨胀系数匹配。尤其，所述空气轴承可以包括径向空气轴承和止推空气轴承中的一者或两者。如下讨论示例性实施方式的细节。
图1A是一种类型的坐标测量机100的照片，可以根据示例性实施方式配置该坐标测量机。如本领域技术人员已知的，CMM 100——在图片中被支撑在地板101上——测量位于它的床/台/基座(称为“基座102”)上的目标。通常，CMM 100的基座102限定了X-Y平面110，该平面通常平行于地板101的平面。
为了测量它的基座102上的目标，CMM 100具有可移动特征部122，该可移动部件被设置为与可移动臂104联接的移动测量设备103，例如机械式触觉探针(例如：在标准CMM中的接触触发器或扫描探针)、非接触探针(例如使用激光探针)或照相机(例如机器视觉CMM)。替代地，一些实施方式相对于固定的测量设备103移动基座102。无论是两者中的哪种情况，CMM 100的可移动特征部122操纵测量设备103和目标(或校正工件)关于彼此的相对位置以获得期望的测量值。因此，CMM100可以测量目标或加工品的多个特征的位置。
CMM 100具有运动和数据控制系统120，控制系统120控制和协调CMM 100的移动和活动。此外，控制系统120包括计算机处理器硬件121和提及的传感器/可移动特征部122。计算机处理器可以包括微处理器、可编程逻辑、固件、超前控制、捕获算法和分析算法。计算机处理器121可以具有板载数字存储器(例如RAM或ROM)以存储数据和/或计算机编码，所述计算机编码包括执行一些或所有控制系统操作和方法的指令。替代地，或另外地，计算机处理器121可操作性联接到其他数字存储器，例如RAM或ROM，或可编程存储电路，以存储这样的计算机编码和/或控制数据。
替代地或另外地，一些实施方式将CMM 100和外界计算机(或“主机”)130联接。以类似于控制系统120的方式，主机130具有计算机处理器(例如以上所述的那些)以及与CMM100的处理器通讯的计算机存储器。存储器被配置为具有能够被处理器执行的非瞬态计算机指令，和/或被配置为存储非瞬态数据，例如作为对基座102上的目标进行测量的结果而获取的数据。
尤其，主机130可以是台式机、塔式计算机或便携式计算机(例如可以从戴尔公司获得的)，或甚至是平板电脑(例如从苹果公司获得的iPad)。主机130可以通过硬线连接(例如以太网电缆131)或通过无线链路(例如蓝牙链路或WiFi链路)联接到CMM 100。主机130可以例如包括在使用或校正期间控制CMM 100的软件，和/或可以包括配置为处理在校正过程中获得的数据的软件。另外，主机130可以包括用户界面，该用户界面配置为允许用户手动操作CMM 100。
因为它们的相对位置通过可移动特征部122的动作测量，所以CMM 100可以被认为知晓与基座102和目标或加工品相对于它的测量设备103的相对位置相关的数据。更特别的，计算机121或130控制和存储关于可移动特征部122的动作的信息。替代地或另外地，一些实施方式的可移动特征部122包括传感器，所述传感器检测台和/或测量设备103的位置并且将此数据报告给计算机121和130。可以依据以CMM100上的点为基准的二维(例如X-Y；X-Z；Y-Z)或三维(X-Y-Z)坐标系来存储关于CMM 100的台和/或测量设备103的动作和位置的信息。
一些CMM还包括如图1A所示的用户界面125，并且在图1B中更详细地示出。如图所示，用户界面125可以具有控制按钮125A和控制旋钮125B，控制按钮125A和控制旋钮125B允许用户手动操作CMM 100。此外，界面125可以使得用户能够改变测量设备103或基座102的位置(例如相对于彼此的位置)并且记录描述测量设备103和基座102的位置的数据。
另外，界面125可以使得用户能够将照相机聚焦(如果测量设备103/臂104包括照相机)在目标和靶上并且记录描述照相机的焦点的数据。在移动平台的CMM中，例如，测量设备103也可以是通过控制按钮125C可移动的。如此，可移动特征部122可以响应于手动控制或在计算机处理器121的控制下做出响应，以相对于彼此地移动基座102和/或测量设备103(例如在机械CMM中的机械探针或机器视觉CMM 100中的照相机)。因此，这种布置允许待测目标从多个角度和多个位置呈现给测量设备103。
图2示例性地示出了根据本发明的示例性实施方式的可移动特征部122的一实施例的一些细节。如以上提到的，可移动特征部122操作以在X方向(平行于基座102)，Y方向(平行于基座102但是垂直于X方向)和Z方向(朝向基座102或离开基座102)上移动臂104和它附带的测量设备103。为此，可移动特征部122(或CMM 100的其他相关部分)具有至少三套导轨/引导件200，所述导轨/引导件可移动地在X、Y或Z方向上引导可移动组件202(可移动部件122的一部分)。为了简化，图2显示了这些套导轨200中的两套：一套用于在Z方向引导，且另一套在X方向引导。本领域技术人员应该理解示例性实施方式也可以具有第三套用于在Y方向上引导。然而，替代实施方式可以在不同方向上引导。
虽然没有全部显示，但是导轨200支撑和引导可移动组件202，该可移动组件相应地相对于待测目标移动臂104以及它的测量设备103。为了提高机械和功能效率，可移动组件202优选地通过空气轴承系统204与导轨200联接。特别地，如图2所示，每个导轨200具有跨骑在该导轨的外表面上的伴随的空气轴承构件206(例如，轴承构件206可以包围导轨外表面)。因此，在正常使用期间，空气轴承构件206应该不会与导轨200接触。
为了达到它的主要功能，每个空气轴承构件206被考虑形成套筒208。为了传输空气和产生所谓的空气轴承的“浮动”功能，套筒208的每一端支撑/包括刚性环210以从外部空气源(例如外部空气泵)接收高压空气。环210和套筒208形成了单独的整体，该整体组成了空气轴承构件206的至少一部分。
空气轴承构件206——包括它的环210和/或套筒208(壳)——具有用于分配空气的通道212以及用于引导导轨200和环/组件之间的空气的孔(未示出)。例如，图2示出了环210具有用于沿着环210并通过提到的多个通孔分配空气的槽。这些通孔——流体地与槽连接——因此引导它们从槽接收的加压空气通过环210并朝向导轨200。
在该实施例中，CMM 100在X、Y和Z方向的每一个方向上都具有两个平行导轨200，以阻止可移动组件202围绕任何它的导轨200旋转或枢转。一些实施方式在每个方向上具有多于两个的平行导轨200，同时具有单独导轨200的设计也可以实现同样的目的。因此，可移动组件202具有相同数量的对应空气轴承构件206，空气轴承构件206与臂104和可移动特征部122的其他部分联接。因此，可移动组件202的移动产生臂104的对应移动，使得CMM 100能够测量所述目标。
根据示例性实施方式，每个导轨200至少部分由各向异性材料形成，例如碳基材料(例如石墨或其他碳纤维)。在热循环或其他热变化中，导轨200以与环210基本相同的方式膨胀和收缩。碳导轨200以类似于金属导轨的径向反应的这种方式对热径向反应。然而，一些实施方式可以允许形状纵向上的变化，而确保形状没有发生径向变化。
另外，每个碳导轨200被设计/选择为具有通常与环210的热膨胀系数匹配的热膨胀系数(“CTE”)。因此，环210和它的导轨200两者可以具有约相同的CTE，遵守工程公差。例如，环210和导轨200两者可以具有等于规定小数位范围的CTE值(例如7.1×10-6每摄氏度)，或在2-5百分比范围内。虽然示例性实施方式在单独的CMM 100上形成了所有的环和导轨对，这样它们具有相同的CTE，一些替代性实施方式包括具有第一CTE的导轨200和环210对和具有不同的第二CTE的其他导轨200和环210对。
如本领域技术人员已知的，在使用过程中，导轨200的外表面和空气轴承的内表面之间的环形空间/空隙经常是相当小的。那些空间中的一些可以是微米量级(例如约10微米)。该空间应该保持基本恒定以确保正确的CMM操作。因此，匹配CTE确保该空间能够通常保持恒定(例如在它的额定空间的百分之5，10或15的范围内)。这与包括带有不同CTE的导轨的现有技术的CMM设计和/或与包括由各向异性材料制成的导轨的CMM设计形成对比。用这样的现有技术的导轨保持微小但是恒定的环形间隙已经是十分困难的，并且如果不能有效地保持，会降低下层的CMM 100的性能。
整个空气轴承构件206可以由单一材料制成，或仅环210能够由CTE匹配材料制成。尤其，空气轴承构件206的环210和/或剩余部分(例如套筒208)可以由陶瓷制成，或环210可以由陶瓷制成，同时套筒208的剩余部的至少一部分包括铝。其他实施方式可以由金属或碳制成环210。空气轴承构件206内的孔和空气移动系统优选地包括由坚硬材料制成的喷嘴，例如蓝宝石。当然，环210和空气轴承构件206的其余部可以由多种其他材料制成。这些特定材料的讨论因此仅出于示意的目的。
不同的实施方式形成环210以具有与导轨200的外部形状关联的形状。例如，如果导轨200具有近圆形外截面形状，那么环210可以具有超环面形状的形状。实际上，环210的内部可以具有与导轨200的外表面相同的形状，但具有不同的外部形状。替代地，如果导轨200具有正方形、矩形、三角形、不规则形状或其他截面/外部形状，环210优选地具有相同的内部形状并且优选地形成在导轨200的所有侧面上。因此，词语“环”的使用不是意在限于超环面形状的形状的部件，或其他类型的近圆形部件。
碳基导轨200提供了多种益处。首先，碳可以被设计为非常坚固和坚硬，并且比用于现有技术CMM中的传统材料更轻。例如，许多传统CMM使用钢、陶瓷或花岗石导轨，这些导轨是比较重的并且当与碳纤维比较时提供了较低的强度和硬度益处。图2的CMM 100——带有它的碳基导轨200——因此可以用较轻的材料得到相同或更高的性能。
而且，碳是天然的润滑剂。因此，如果环210中的一个刮擦导轨200，例如在启动、停下时或在无意的失灵期间，碳导轨200可以提供一些有益的摩擦保护以将破坏最小化。
在使用中，空气源迫使空气穿过管道(未示出)到达空气轴承构件206的空气通道212。这优选地产生了基本恒定厚度的空气层，该空气层基本围绕相关导轨200的一部分，主要围绕环210。在该点处，可移动特征部122(例如臂104)可以通过应用如所需要地移动。在该时间期间，每个空气轴承继续保持与它的导轨200的基本恒定的空隙。实际上，空隙可以在空气轴承沿着导轨200移动时以及在空气轴承没有沿着导轨200移动时保持恒定。
当CMM100不再运行时，它可以断电，由此停止空气流动到空气轴承构件206。如以上提到的，这可以引起导轨200和轴承构件的环210和/或其余部之间的接触。在正常使用期间，因为碳的润滑特性，相对于发明人所知道的现有技术，该接触对环产生更小的影响。
虽然以上讨论公开了本发明的不同示例性实施方式，但应明白，本领域技术人员可以做出各种修改，所述修改将在没有脱离本发明的真实范围的情况下获得本发明的益处中的一些益处。

Claims (22)

1.一种坐标测量机，该坐标测量机包括：
基座，该基座用于支撑目标；
可移动组件，该可移动组件具有用于测量所述目标的探针；
导轨，该导轨沿着所述导轨的长度引导所述可移动组件，所述导轨包括碳并且具有导轨热膨胀系数；以及
空气轴承构件，该空气轴承构件包围所述导轨并且与所述可移动组件固定联接，所述空气轴承构件与所述导轨形成径向空气轴承并且具有构件热膨胀系数，
所述导轨热膨胀系数约等于所述构件热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述导轨包括碳纤维。
3.根据权利要求2所述的坐标测量机，其中，所述超环面形状的构件包括非碳材料。
4.根据权利要求3所述的坐标测量机，其中，所述超环面形状的构件包括金属或陶瓷。
5.根据权利要求2所述的坐标测量机，其中，所述超环面形状的构件包括碳。
6.根据权利要求2所述的坐标测量机，其中，所述超环面形状的构件包括用于分配空气的槽以及与所述槽流体连接的多个通孔，所述通孔用于将空气朝向所述导轨引导。
7.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，所述空气轴承包括套筒和由所述套筒支撑的至少一个环构件。
8.根据权利要求7所述的坐标测量机，其中，所述套筒和所述至少一个环由不同材料形成。
9.根据权利要求1所述的坐标测量机，其中，空气轴承形成在所述导轨的不止一个侧面上，所述导轨主要由碳材料形成。
10.根据权利要求1所述的坐标测量机，该坐标测量机进一步包括至少一个另外的导轨和至少一个另外的空气轴承构件，所述另外的空气轴承构件包围所述另外的导轨并且与所述可移动组件固定联接，所述另外的导轨具有另外的导轨热膨胀系数，所述至少一个另外的空气轴承构件具有另外的构件热膨胀系数，所述另外的导轨热膨胀系数约等于所述另外的构件热膨胀系数。
11.一种方法，该方法包括：
提供坐标测量机，所述坐标测量机包括：可移动组件，该可移动组件具有探针；碳导轨，该碳导轨沿着所述碳导轨的长度引导所述可移动组件以使所述可移动组件能移动；以及空气轴承构件，该空气轴承构件包围所述导轨并且与所述可移动组件固定联接，所述空气轴承构件的热膨胀系数与所述导轨的热膨胀系数匹配；并且
迫使空气通过所述空气轴承构件以形成空气轴承，在所述空气轴承构件和所述导轨之间存在空气间隙。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，当迫使空气通过所述空气轴承构件并且所述空气轴承不沿着所述导轨移动时，所述空气间隙在多种温度下保持基本恒定。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括沿着所述导轨移动所述空气轴承。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述空气轴承构件包括完全包围所述导轨的超环面形状的构件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述超环面形状的构件包括非碳材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述超环面形状的构件包括金属或陶瓷。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述超环面形状的构件包括碳。
18.根据权利要求14所述的坐标测量机，其中，所述超环面形状的构件包括用于分配空气的槽以及与所述槽流体连接的多个通孔，所述方法迫使空气穿过所述通孔。
19.根据权利要求11所述的坐标测量机，其中，所述空气轴承包括套筒以及由所述套筒支撑的至少一个超环面形状的构件。
20.根据权利要求19所述的坐标测量机，其中，所述套筒和所述至少一个超环面形状的构件由不同材料形成。
21.根据权利要求19所述的坐标测量机，其中，所述套筒具有矩形的外部形状。
22.根据权利要求11所述的坐标测量机，其中，所述空气轴承包括径向空气轴承或止推空气轴承。
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