CN107084693B - 基准面的位置测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种位置测量方法，该位置测量方法是在加工工件时通过探针(P)测量工件的由固定工具支承的基准面(RS)的位置(Xj)的方法。根据该位置测量方法，使探针(P)在多个不同的位置(P1、P2、P3、P4)处与基准面(RS)相接触，并且测量基准面(RS)的高度。然后，将基准面(RS)的高度最大的位置(Xp)设定为基准面(RS)的位置。

Description

基准面的位置测量方法

技术领域

本发明涉及一种在对工件进行加工时的基准面的位置测量方法。

背景技术

具有对工件的测量基准点进行设定的功能的机床是已知的。机床构造成获得工件的中心坐标并且将中心坐标设定为用于测量例如工件的形状的测量基准点(参见日本专利申请公开No.2010-89182(JP 2010-89182 A))。机床根据以下步骤对工件的测量基准位置进行设定。

首先，具有相对于彼此垂直的两条线中的每条线都对称的加工表面的工件被布置成使得机器坐标系的轴线平行于所述两条线。接下来，机上测量设备的探针的球状测量部沿着与所述两条线中的一条线平行的第一条线从工件的加工表面上的位置朝向工件的端表面相对于工件移动。

在球状测量部移动离开工件的端表面之后，存储探针在其轴向方向上的移动速度达到预定速度时的坐标。接着，对于与两条线中的另一条线平行的第二条线执行相同的步骤，并且存储坐标。接着，从存储的坐标获得中点。所获得的中点是工件的中心坐标，并且可以被设定成工件的测量基准位置。

发明内容

在某些情况下，如在JP 2010-89182 A中所描述的，通过在其稍端具有球状测量部的探针来对工件的基准面的位置和工件相对于基准面的加工位置进行测量，并且基于测量结果对工件进行加工。在这种情况下，构造成对工件进行加工的加工设备将构造成对工件进行固定的固定工具的稍端处的球状部推靠在工件的基准面上，然后相对于基准面固定工件，再基于由探针获得的测量结果在相对于基准面的加工位置处对工件进行加工。

然而，探针稍端处的球状测量部的直径是例如几毫米或更小的小直径。因此，当对在其表面上具有相对粗糙的凹凸部的工件——比如铸造产品——的基准面的位置进行测量时，球状测量部可进入工件的表面的凹部。另一方面，与工件的表面的凹凸部相比，用于固定工件的固定工具的稍端处的球状部的直径通常是足够大的直径。因此，与探针的稍端处的球状测量部不同，固定工具的球状部不会进入工件表面的凹部。

因此，在工件的由探针测量的基准面的位置与工件的由固定工具支承的基准面的位置之间可能产生偏差。在这种情况下，可能在工件的相对于由探针测量的基准面的加工位置与工件的相对于由固定工具支承的基准面的加工位置之间产生误差。

本发明提供了一种基准面的位置测量方法，该位置测量方法使得可以通过探针精确地测量由固定工具支承的基准面的位置。

本发明的一方面涉及一种通过探针测量工件的在加工工件时由固定工具支承的基准面的位置的位置测量方法。所述位置测量方法包括：使所述探针在多个不同位置处与所述基准面接触，并且测量所述基准面的高度；以及将所述基准面的所述高度为最大的位置设定成所述基准面的位置。

根据上述方面的基准面的位置测量方法被用于测量通过例如加工设备加工的工件的基准面的位置。基准面用作工件的加工位置的基准。例如，可以将在其稍端具有球状支承部的销形夹头用作固定工具。例如，可以将在其稍端具有球状部并且在三维测量机中使用的销形探针用作探针。与基准面接触的探针的球状部的直径例如为数毫米左右。固定工具的稍端处的球状支承部的直径例如为10mm或更大。

与基准面接触的探针的直径是例如几毫米或更小的小直径。因此，当对表面上具有相对粗糙的凹凸部的工件——比如铸造产品——的基准面的位置进行测量时，探针可进入表面的凹部。另一方面，固定工具的稍端处的球状支承部的直径大于探针的稍端处的球状部的直径。固定工具的稍端处的球状支承部的直径是这样的值：与探针不同，该值使得固定工具的球状支承部不会进入基准面的凹凸部的凹部中，并且固定工具的球状支承部在靠近基准面的凹凸部的凸部的顶点的位置处与基准面接触。

为此，在一些情况下，当探针与基准面接触时，探针进入基准面的凹部，并且测量接触点的位置作为基准面的位置，而固定工具在靠近基准面的凸部的顶点的位置处与基准面接触，并且在接触点的位置处支承基准面。在这种情况下，在垂直于基准面的方向上，在由探针测量的基准面的位置与由固定工具支承的基准面的位置之间产生了误差。

为了减小这种误差，根据上述方面中的基准面的位置测量方法，如上所述，使探针在多个不同位置处与基准面接触，并且对基准面的高度进行测量，然后，将基准面的高度最大的位置设定为基准面的位置。此处，基准面的高度是当基准面没有凹凸部时在垂直于基准面的方向上的基准面的位置。

探针在多个不同位置处与基准面接触。因此，即使当探针在特定位置处进入基准面的凹部时，探针仍可能在靠近基准面的凸部的顶点的位置处与基准面在另一位置处接触。此外，将基准面的高度最大的位置设定为基准面的位置。以这种方式，在垂直于基准面的高度方向上，固定工具与基准面接触的接触点的位置和探针与基准面接触的接触点的位置彼此更靠近。因此，可以进一步减小基准面的测量误差。

在本发明的上述方面中，可以基于距由固定工具支承的基准面处的支承中心位置的距离来设定探针与基准面进行接触的所述不同位置。因此，可以在固定工具很可能与基准面接触的多个位置处测量基准面的高度，并且可以进一步减小由固定工具支承的基准面的位置与由探针测量的基准面的位置之间的误差。另外，在上述方面中，所述不同的位置可以被设定为相对于支承中心位置对称的位置。

在上述方面中，基准面的设定位置可以被用于测量离开基准面的加工位置。此外，可以在加工位置处形成具有与基准面基本上平行的轴线的孔。

从上述描述可以理解的是，根据上述方面的基准面的位置测量方法使得能够通过探针更精确地测量由固定工具支承的基准面的位置。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1A是应用了根据本发明的实施方式的位置测量方法的气缸体的平面图；

图1B是在根据本发明的实施方式的位置测量方法中使用的探针的平面图；

图2A是在图1A中示出的基准面的放大截面图；

图2B是在图1A中示出的固定工具的放大截面；

图2C是在图1B中示出的探针的放大截面图；

图3是示出了固定工具的支承中心位置处的基准面的测量误差的放大截面图；

图4是示出了在基准面上的多个位置处进行的高度测量的示例的放大截面图；

图5是示出了在图4中示出的设定测量范围的方法的示例的放大截面图；

图6A是示出了设定测量范围的方法的示例的侧视图；

图6B是示出了在基准面上的多个位置处进行的高度测量的示例的侧视图；

图6C是示出了在基准面上的多个位置处进行的高度测量的另一示例的侧视图；以及

图7是示出了通过根据本发明的实施方式的基准面的位置测量方法实现的误差减小的图表。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对根据本发明实施方式的基准面的位置测量方法进行描述。

图1A是应用了根据本发明的实施方式的基准面的位置测量方法的气缸体SB的平面图。图1B是示出了探针的示例的平面图。

气缸体SB是由金属制成的铸造产品，并且包括多个缸孔B1、B2、B3、B4。气缸体SB在其表面上具有相对粗糙的凹凸部。气缸体SB包括四个缸孔B1、B2、B3、B4。彼此相邻的第二缸孔B2的平坦内侧表面和第三缸孔B3的平坦内侧表面被用作基准面RS。在图1A的平面图中，与基准面RS垂直的方向为X轴方向，与X轴垂直且与基准面RS平行的方向为Y轴方向，以及与X轴和Y轴垂直且与基准面RS平行的方向为Z轴方向。例如，通过加工设备(未示出)在气缸体SB中在预定的加工位置处形成定位孔N1、N2。

设置了一对固定工具J。固定工具J保持气缸体SB的位于第二缸孔B2与第三缸孔B3之间的一部分，并且将气缸体SB固定至加工设备(未示出)。每个固定工具J是销形夹头或柱形夹头，该销形夹头或柱形夹头具有基本上与垂直于基准面RS的X轴方向平行的中心轴线Cj。每个固定工具J在其与基准面RS接触的稍端处具有球状支承部Ja。在每个固定工具J的稍端处的支承部Ja的球状表面的直径例如等于或大于10mm，并且更具体地例如为大约16mm。

当固定工具J的支承部Ja在X轴方向上与基准面RS接触时，固定工具J沿X轴方向相对于基准面RS定位且固定气缸体SB。应当注意的是，气缸体SB沿Y轴方向还具有基准面RS(未示出)。当其他固定工具J(未示出)沿Y轴方向与基准面RS接触时，沿Y轴方向相对于基准面RS定位且固定气缸体SB。

加工设备(未示出)例如是构造成对气缸体SB进行加工的加工中心。加工设备(未示出)在相对于由固定工具J的稍端处的支承部Ja支承的基准面RS的位置的预定加工位置处对气缸体SB进行加工。加工设备基于气缸体SB的基准面RS的位置的测量结果和气缸体SB相对于基准面RS的加工位置的测量结果例如在气缸体SB的预定加工位置处形成定位孔N1、N2。预先通过探针P测量了基准面RS的位置和气缸体SB的加工位置。

探针P例如是三维测量机的销形探针，并且探针P在其稍端处具有球状部Pa。球状部Pa的直径例如为大约数毫米，并且更具体地例如为大约2.5mm。在通过加工设备对气缸体SB进行加工之前，探针P与气缸体SB的基准面RS和加工位置中的每一者接触，从而测量基准面RS的位置和加工位置。由探针P获得的气缸体SB的基准面RS的位置和加工位置的测量结果被用于由加工设备进行的气缸体SB的加工。

图2A是气缸体SB的基准面RS的放大截面图。图2B是固定工具J的稍端处的支承部Ja的放大截面图。2C是探针P的稍端处的球状部Pa的放大截面图。应当注意的是，在附图中，上下方向上的放大率是横向方向上的放大率的20倍。

气缸体SB的每个基准面RS具有相对粗糙的凹凸部。每个基准面RS的凹凸部包括多个凸部RSa和形成于凸部RSa之间的多个凹部RSb。探针P的稍端处的球状部Pa的直径小于固定工具J的稍端处的支承部Ja的直径。探针P的球状部Pa的直径为这样的值：该值使得球状部Pa可以进入构成基准面RS的凹凸部的凹部RSb中的每个凹部RSb中。另一方面，固定工具J的稍端处的支承部Ja的直径大于探针P的稍端处的球状部Pa的直径。与探针P不同，固定工具J的支承部Ja的直径为这样的值：该值使得支承部Ja不能进入构成基准面RS的凹凸部的凹部RSb中的每个凹部RSb中。

图3是示出了基准面RS在固定工具J的支承中心位置JC处的测量误差ME的放大截面图。与在图2A至图2C中一样，在图3中，上下方向上的放大率是横向上的放大率的20倍。

如上所述，固定工具J的稍端处的支承部Ja的直径是这样的值：该值使得支承部Ja不能到达构成基准面RS的凹凸部的凹部RSb中的每个凹部RSb内的深处。因此，支承部Ja与基准面RS接触的接触点CPj是靠近基准面RS的凸部RSa的稍端的位置。当支承部Ja与基准面RS如上所述接触时固定工具J的中心轴线Cj在与基准面RS平行的Y-Z平面上的位置被设定为固定工具J的支承中心位置JC。在这种情况下，当探针P在固定工具J的支承中心位置JC处与基准面RS接触时，探针P以下述状态在接触点CPp处与基准面RS接触：其中，与固定工具J的支承部Ja到达的位置相比，探针P到达基准面RS的凹凸部的凹部RSb内的更深处。

在这种情况下，探针P的球状部Pa与基准面RS接触的接触点CPp的高度——即，接触点CPp在X轴方向上的位置Xp——是由探针P获得的基准面RS在X轴方向上的位置的测量值，而固定工具J的支承部Ja与基准面RS接触的接触点CPj的高度——即，接触点CPj在X轴方向上的位置Xj——是在由加工设备进行加工时的基准面RS在X轴方向上的位置。因此，由探针P测量的基准面RS在X轴方向上的位置Xp具有误差ME，该误差ME是在通过加工设备进行加工时在X轴方向上的基准面RS的位置Xp与位置Xj之间的差值。

因此，当加工设备基于由探针P测量并且相对于基准面RS的位置Xj具有误差ME的位置Xp在加工位置处对气缸体SB进行加工时，可能会在例如形成于气缸体SB中的定位孔N1、N2的位置中的每个位置产生误差。为了减少这种误差，根据本实施方式中的基准面的位置测量方法，根据下述过程测量基准面RS的位置。

图4是示出了根据本实施方式的基准面的位置测量方法的放大截面图。图4是示出了在基准面RS上的多个位置处进行的高度测量的示例的放大截面图。与在图2A至图2C中一样，在图4中，上下方向上的放大率是横向方向上的放大率的20倍。

如上所述，根据本实施方式的基准面的位置测量方法是这样一种方法，其中，用探针P测量基准面RS的受固定工具J的支承部Ja支承的位置Xj。在根据本实施方式的基准面RS的位置测量方法中，首先，使探针P在多个不同位置P1、P2、P3、P4处与基准面RS接触，从而测量基准面RS的高度。更具体地，使探针P沿X轴方向移动到与基准面RS平行的Y-Z平面上的每个位置P1、P2、P3、P4处，使探针P的稍端处的球状部Pa与基准面RS的凹凸部接触，并且测量接触点CP1、CP2、CP3、CP4在X轴方向上的位置作为基准面RS的高度。

接着，将基准面RS的高度最大的位置Xp设定为基准面RS的位置。更具体地，在平行于基准面RS的Y-Z平面上的位置P1、P2、P3、P4处测量的接触点CP1、CP2、CP3、CP4在X轴方向上的位置之中，将基准面RS在X轴方向上突出最大量的位置Xp设定为基准面RS的位置。可以通过设置有探针P的三维测量机来进行这样的基准面RS的位置的测量。

以这种方式，在垂直于基准面RS的X轴方向上，固定工具J和基准面RS接触的接触点CPj的位置与探针P和基准面RS接触的接触点CPp的位置之间的误差ME减小，并且因此，由探针P测量的基准面RS的位置Xp与基准面RS的受固定工具J支承的位置Xj之间的误差ME减小。因此，根据本实施方式中的基准面的位置测量方法，能够通过探针P高精度地测量由固定工具J支承的基准面RS的位置。

探针P与基准面RS上的多个不同位置进行接触的测量范围α可以例如基于离基准面RS上的由固定工具J支承的支承中心位置JC的距离来设定。在下文中，将对在图4中示出的设定基准面RS的测量范围α的方法的实例进行详细描述。

图5是示出了图4中图示的设定基准面RS的测量范围α的方法的示例的放大截面图。和在图2A至图2C中的一样，在图5中，上下方向上的放大率是横向方向上的放大率的20倍。

首先，将固定工具J的稍端处的支承部Ja的截面的轮廓形状布置在下述位置处：在该位置处，支承部Ja最深入到基准面RS的凹凸部的截面的轮廓形状的凹部RSb中且支承部Ja在接触点CP处与凸部RSa接触。接下来，将探针P的球状部Pa的截面的轮廓形状布置在球状部Pa与接触点CP发生接触的位置处，该接触点CP即固定工具J的支承部Ja的截面的轮廓形状与基准面RS的凹凸部的截面的凸部RSa发生接触的位置。然后，在探针P的球状部Pa的截面的轮廓形状能够与接触点CP保持接触的范围内，将探针P的球状部Pa的截面的轮廓形状布置在球状部Pa最深入到基准面RS的凹凸部的截面的轮廓形状的凹部RSb中的位置处。

在这种状态下，测量探针P的球状部Pa的中心与固定工具J的支承部Ja的中心之间在平行于基准面RS或Y-Z平面的方向上的中心距α/2。接着，如图4所示，将范围α设定为基准面RS的测量范围α。在平行于基准面RS或Y-Z平面的一个或更多个方向上，范围α具有两倍于中心距α/2的长度，并且具有与固定工具J的支承部Ja的中心位置——即，支承中心位置JC——一致的中心。

图6A是示出了设定基准面RS的测量范围MR的方法的另一示例的侧视图。

基准面RS的测量范围MR可以如下所述地设定。首先，如图6A所示，根据参照图5描述的方法来设定固定工具J在基准面RS或Y-Z平面上的支承中心位置JC。接下来，根据参照图5描述的方法分别在与基准面RS或Y-Z平面平行的两个方向上——例如在Z轴方向和Y轴方向上——测量探针P的球状部Pa的中心与固定工具J的支承部Ja的中心之间的中心距α/2和中心距β/2。

例如，当长度α——该长度α是在Z轴方向上的中心距α/2的两倍——等于或大于0.1mm并且长度β——该长度β是在Y轴方向上的中心距β/2的两倍——等于或大于0.1mm时，则可以如图6B所示设定测量范围MR。即，可以将在Z轴方向上具有长度α、在Y轴方向上具有长度β且中心与固定工具J的支承中心位置JC一致的矩形范围设定为测量范围MR。当测量范围MR具有这样的矩形形状时，探针P与基准面RS接触的测量位置MP可以布置在矩形测量范围MR的四个角和中心处。

例如，当长度α——该长度α是在Z轴方向上的中心距α/2的两倍——等于或大于0.1mm并且长度β——该长度β是在Y轴方向上的中心距β/2的两倍——小于0.1mm时，则可以如图6C所示设定测量范围MR。即，可以将在Z轴方向上具有长度α且中心与固定工具J的支承中心位置JC一致的直线范围设定为测量范围MR。当直线测量范围MR具有这样的直线形状时，探针P与基准面RS接触的测量位置MP可以布置在测量范围MR的两端处以及以等间隔定位在两端之间的位置处。

如上所述，根据本实施方式中的基准面的位置测量方法，可以基于离基准面RS处的由固定工具J支承的支承中心位置JC的距离α/2、β/2来设定探针P与基准面RS接触的不同位置MP。因此，可以在固定工具J很可能与基准面RS接触的位置MP处测量基准面RS的高度。因此，可以进一步减小基准面RS的由固定工具J支承的位置Xj与基准面RS的由探针P测量的位置Xp之间的误差ME。

图7是示出了通过根据本发明的本实施方式的基准面的位置测量方法实现的在气缸体SB的各加工位置处的误差减小的图表。

图7示出了气缸体SB的主定位孔N1和副定位孔N2的测量误差，这些测量误差是通过由加工设备基于由根据本实施方式的基准面的位置测量方法和由根据现有技术的位置测量方法所测量的基准面RS的位置Xp执行的加工而形成的。在图7中，N1x表示主定位孔N1在X轴方向上的测量误差，N1y表示主定位孔N1在Y轴方向上的测量误差，N2x表示副定位孔N2在X轴方向上的测量误差，N2y表示副定位孔N2在Y轴方向上的测量误差。

另外，在图7中，n1x表示主定位孔在X轴方向上的测量误差，n1y表示主定位孔在Y轴方向上的测量误差，n2x表示副定位孔在X轴方向上的测量误差，以及n2y是副定位孔在Y轴方向上的测量误差。

基于根据现有技术的基准面的位置测量方法的主定位孔在X轴方向上的测量误差n1x为大约0.035mm，该值超过由虚线L表示的基准公差宽度0.020mm。另一方面，基于根据本实施方式的基准面的位置测量方法的主定位孔N1在X轴方向上的测量误差N1x减小至大约0.015mm。根据本实施方式，测量误差被减小到现有技术中的测量误差的一半以下。

此外，基于根据现有技术的基准面的位置测量方法的主定位孔在Y轴方向上的测量误差n1y为大约0.016mm，而基于根据本实施方式的基准面的位置测量方法的主定位孔N1在Y轴方向上的测量误差N1y减小至大约0.006mm。根据本实施方式，测量误差被减小到现有技术中的测量误差的一半以下。

另外，基于根据现有技术的基准面的位置测量方法的副定位孔在X轴方向上的测量误差n2x为大约0.028mm，该值超过由虚线L表示的基准公差宽度0.020mm。另一方面，基于根据本实施方式的基准面的位置测量方法的副定位孔N2在X轴方向上的测量误差N2x减小至大约0.003mm。根据本实施方式，测量误差被减小到现有技术中的测量误差的1/9以下。

另外，基于根据现有技术的基准面的位置测量方法的副定位孔在Y轴方向上的测量误差n2y为大约0.027mm，该值超过由虚线L表示的基准公差宽度0.020mm。另一方面，基于根据本实施方式的基准面的位置测量方法的副定位孔N2在Y轴方向上的测量误差N2y减小至大约0.004mm。根据本实施方式，测量误差被减小到现有技术中的测量误差的1/6以下。

上述结果表明，根据本实施方式中的基准面的位置测量方法，基准面RS的受固定工具J支承的位置Xj被更准确地通过探针P测出，因此可以比现有技术更精确地加工比如具有基准面RS的气缸体SB之类的工件。

虽然已经参照附图对本发明的示例性实施方式进行了详细描述，但是具体的构型不限于前述实施方式中的那些构型，并且在本发明的范围内的设计变化等可以被包括在本发明中。

例如，在前述实施方式中，气缸体被描述为具有基准面的工件的示例。然而，具有基准面的工件不限于气缸体。本发明可以应用于任何工件，只要工件在其表面上具有凹凸部并且在加工之前通过探针对基准面和加工位置进行测量即可。

Claims (6)

1.一种位置测量方法，所述位置测量方法通过探针测量工件的在加工所述工件时由固定工具支承的基准面的位置，所述探针具有位于所述探针的稍端处的球状部，所述固定工具具有位于所述固定工具的稍端处的球状支承部，所述球状部的直径小于所述球状支承部的直径，并且所述基准面具有包括凹部的凹凸部，所述凹凸部允许所述球状部的至少一部分进入所述凹部，所述位置测量方法包括：

使所述探针的所述球状部在多个不同位置处与所述基准面接触，并且测量所述基准面的高度；以及

将所述基准面的所述高度为最大的位置设定成所述基准面的位置。

2.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中，基于距由所述固定工具支承的所述基准面处的支承中心位置的距离来设定所述探针与所述基准面进行接触的所述不同位置。

3.根据权利要求2所述的位置测量方法，其中，将所述不同位置设定成关于所述支承中心位置对称的位置。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的位置测量方法，其中，使用所设定的所述基准面的位置来测量从所述基准面离开的加工位置。

5.根据权利要求4所述的位置测量方法，其中，在所述加工位置处形成轴线与所述基准面基本上平行的孔。

6.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中，所述基准面的所述高度是在所述基准面没有凹凸部的情况下在与所述基准面垂直的方向上的所述基准面的位置。