CN110418938B - 用于在数控机床中使用的、在用于测量数控机床的方法中应用的装置 - Google Patents

用于在数控机床中使用的、在用于测量数控机床的方法中应用的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在数控机床(100)中使用的、在用于测量数控机床(100)的方法中应用的装置(1)，包括：用于经由测量设备测量的第一测量元件(3)、用于经由测量设备测量的第二测量元件(3)、间隔元件(2)和用于将装置(1)紧固到机床(100)的机床部件(20)的至少一个紧固部分(4)，第一测量元件(3)和第二测量元件(3)彼此间隔地布置在间隔元件(2)上。

Description

用于在数控机床中使用的、在用于测量数控机床的方法中应 用的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在数控机床中使用的、在用于测量数控机床的方法中应用的装置。此外，本发明涉及所述方法本身以及包括数控机床和根据本发明的装置的系统。
背景技术
例如从EP1696289A1或DE102010038783A1中已知的用于测量机床的方法尤其用于检查机床的精度偏差。这些偏差可能由，例如导轨的磨损或可移动的机床部件彼此碰撞引起。
EP1696289A1描述了一种用于测量机床上的旋转轴的方法。在此，测量球在两个测量位置(两点测量)被探测，测量位置是通过进一步枢转其上安装有测量球的旋转轴而产生的。由于测量球的半径是已知的，因此测量球的相应的球中心点(或另一测量球基准点)在相应测量位置处的例如相对于机床坐标系的空间位置可以通过在测量球表面的三个点处进行探测(在测量球的两个测量位置的每一个中)并且确定三个表面点的坐标来确定。根据两个测量位置之间的旋转轴的枢转角度和分别确定的空间位置，旋转轴的中心点位置被确定。
根据两个测量的坐标，旋转轴的枢转点被确定，其中测量球已被安装在该旋转轴上。为了计算线性轴，可以在旋转轴上方的不同高度处重复上述的两点测量，由此可以根据两点测量来计算该高度的枢转点。两个枢转点的连接用于确定旋转轴的方向。
DE102010038783A1描述了一种方法，其中，旋转轴的运动是通过探测在旋转轴的圆周上的测量仪器的多个位置(通过移动线性机床轴)而确定的。如此确定的测量值被用于计算地确定穿过被探测点的坐标的圆形路径。还描述了测量结果可被用于确定旋转轴和探测线性轴之间的相对倾斜误差。
此外，一种用于通过测量系统制造商RENISHAW检查机床精度的方法(和相应的装置)是已知的，其中测量(圆度测试)可以借助于“球形棒”在整圆和部分圆上进行。在一次夹紧中从机床的所有的三个平面进行测量，然后可以基于3个相关联的测量确定机床的体积精度。
然而，上述方法的一些缺点在于，必须部分移动所使用的测量装置以测量某些轴。然而，移动测量装置增加了轴的测量持续时间，并且还会带来在测量中引入额外不确定性的风险。RENISHAW系统的另一个缺点是，大多数的圆度测试只能在相对有限的部分圆上进行，因此未穿越区域中的机床不精确性可能被“遗漏”。此外，在RENISHAW的方法中，支撑构件被安装在机床工作台的旋转中心上，以便分析工作主轴和机床工作台之间的圆周运动。因此，支撑元件的显著定位误差可能叠加圆周运动的偏差，因为在工作台的旋转中心上的精确定位实际上是不可能的，并且非常靠近旋转中心的定位仅允许少量的测量，在此基础上，将必然得出关于机床工作台的“真实”旋转中心位置的结论。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于在数控机床上使用的、在用于测量所述数控机床的方法中应用的装置，利用该装置可以避免上述问题，并且基于该装置可以执行机床几何形状的优化。
此外，本发明的目的是提供一种可以利用根据本发明的装置执行的方法，以及一种包括根据本发明的装置和机床的系统。
这些目的通过根据权利要求1的装置、根据权利要求23的系统和根据权利要求24的方法得以实现。从属权利要求涉及根据本发明的装置的有利实施例。
根据本发明的用于在数控机床上使用的、在用于测量数控机床的方法中应用的装置包括：用于经由测量设备进行测量的第一测量元件，用于经由测量设备进行测量的第二测量元件，间隔元件，所述第一测量元件和所述第二测量元件彼此间隔地布置在所述间隔元件上；以及至少一个紧固部分，用于将所述装置紧固到所述机床的机床部件。
借助于根据本发明的具有测量元件的相应布置的装置，可以在测量周期中确定测量机床的多个轴及其相应的误差(例如，线性轴的平直度、交叉角、线性轴的补偿误差、旋转轴的俯仰误差、旋转轴的翻滚等)。例如，对于5轴机床，可以在一个周期内测量3个线性轴和2个旋转轴。不过，各种其它类型的机床(例如，车床、磨床、蚀刻机等)也可以有利地用本发明的装置测量。所获得的结果又可用于决定对应的机床是否必须经历更精细的修正(例如，通过返工或更换引导件、轴承等)，或者是否存在明显的更多时间和成本节省的补偿(即机床参数的调整(目标值/目标位置的校正))可能性。
这使得除了可以校准机床运动学之外，还可以校准机床的基本几何形状(精度)。
使用两个测量元件，这两个测量元件通过间隔元件彼此隔开，并且例如通过测量探针探测以测量测量元件的位置(球距测量)，尤其使得用于测量机床的方法被明显简化。用户只需将装置定位在机床部件上一次，并且可以借助于根据机床的配置定位的装置测量所有的轴。
用于检测测量元件的位置的测量探针的使用仅仅是点测量系统的一个示例，并且将在下面进一步用作示例。不过，可以使用任何其它点测量系统，例如激光点计或气隙计。
此外，借助于该装置，可以省略机床部件和附接的装置的不同位置的精细细分，因为可以通过两个测量元件检测每个位置的更多测量点。因此，可以在更简略的步骤中测量机床的轴，从而整体上加速该方法。
所述装置的优点在于，测量元件之间的距离不仅是已知的，而且还可以在几个测量周期内保持尽可能恒定。由于例如在机床的连续运作期间，机床内的温度分布和值改变，这些改变可能反映在间隔元件的状态中，并因此反映在测量中，因此，选择了在很大程度上对环境条件的预期变化不敏感的间隔元件。
因此，该距离可被用作一种“长度标准”，因此可用作测量机床的基准值，即使在环境条件变化的较长测量周期内也是如此。
上述的用于避免由于错误的测量布置而导致的测量元件的测量误差的装置的另一个关键特征是：测量元件连同间隔元件可被固定到机床部件上，同时产生非常小的张力。
这通过包括夹紧和/或磁性紧固件和/或锁定选择来实现。这些选择使得可以根据需要将测量元件与间隔元件一起定位在机床部件上，并且随后仅将间隔元件与测量元件的位置相对于机床部件固定。应当注意的是，该装置不仅可被固定在机床部件上，而且可被固定在相应的工件上，该工件例如是在测量机床和工件之后要被加工的，或者该装置可以结合地固定在机床部件和工件上。
因此，可以非常快速地分类工厂中存在的机床园区的机床，以便在具有必要精度的机床中相应地制造精密部件。此外，通过知道机床的相应的不精确性，可以预测待制造的零件将具有哪种精度。
随着根据本发明的装置的应用以及基于此的机床的后续校准，发明人能够实现机床精度的显著提高，同时保持用于测量机床的装置非常简单而不复杂。
根据本发明的装置的特别有利的进一步改进是，第一测量元件和第二测量元件均经由刚性连接紧固到间隔元件。
对此以及在下文中，应理解刚性连接以确保测量元件与间隔元件的相对位置是固定的。因此，刚性连接也可以被认为是测量元件和间隔元件之间的固定的和紧固的连接，使得只有通过释放附接/固定，测量元件和间隔元件才能被彼此分离或者这些元件的相对位置才可以被改变。这对于追溯测量结果是非常有利的，特别是对于多次测量。通过释放连接，测量元件之间的先前限定的距离和先前确定的位置丢失，使得在将测量元件重新附接在间隔元件上或间隔元件处之后，将必须再次测量根据本发明的装置。
刚性连接确保两个测量元件和间隔元件形成一个单元。只有这样才可能将该单元形成为一种“长度标准”。这对于机床的测量在测量结果的精度方面以及对于在测量期间可能用作基准值是重要的。
此外，根据本发明的装置可以有利地进一步改进，间隔元件具有布置在第一测量元件和第二测量元件之间的部分，该部分由热膨胀系数小于或等于3.0×10-6K-1，特别是小于或等于1.0×10-6K-1的材料形成；或者，间隔元件具有布置在第一测量元件和第二测量元件之间的部分，该部分由在第一测量元件和第二测量元件之间的间隔方向上热膨胀系数小于或等于3.0×10-6K-1、特别是小于或等于1.0×10-6K-1的材料形成。
此外，根据本发明的装置可以有利地进一步改进，间隔元件包括至少在第一测量元件和第二测量元件之间的、具有小于或等于3.0×10-6K-1、特别是小于或等于1.0×10-6K-1的热膨胀系数的材料；或者间隔元件具有至少在第一测量元件和第二测量元件之间的、在第一测量元件和第二测量元件之间的间隔方向的、具有小于或等于3.0×10-6K-1、特别是小于或等于1.0×10-6K-1的热膨胀系数的材料。
在任何情况下，如果整个间隔元件或布置在第一测量元件和第二测量元件之间的间隔元件的一部分由具有相对低的热膨胀系数的材料构成，以便对环境温度的变化基本上不敏感，则是有利的。
根据本发明的装置的有利的进一步改进在于，间隔元件具有布置在第一测量元件和第二测量元件之间的部分，该部分由碳纤维增强塑料形成，或者间隔元件由碳纤维增强塑料形成，或者间隔元件形成为碳纤维杆。
在发明人的首次实验中，碳纤维增强塑料或碳纤维棒已经被证明是非常有利的，因为这种材料和由其制成的杆状的间隔件不仅具有非常低的热膨胀系数，而且所得到的间隔件元件还非常耐弯曲和压缩/拉伸应力，同时仍然具有相对低的重量。这又是非常有利的，因为杆状间隔元件由于其自身的低重量而明显较少变形(在竖直布置之外)，并且因此两个测量元件之间的预定距离受到不确定性的影响较小，而与杆状间隔元件在机床中布置的位置无关。
根据本发明的装置还可以进一步改进，其中间隔元件具有布置在第一测量元件和第二测量元件之间的部分，该部分由石英玻璃形成，或者间隔元件由石英玻璃形成，或者间隔元件被配置为石英玻璃棒。
由于热膨胀系数非常低而有利于形成隔离元件的另一种材料是石英玻璃。与碳一样，这种材料对温度变化的敏感性非常低。不过，当用其形成间隔元件时，应当考虑其更高的密度。
然而，代替碳纤维杆或石英玻璃棒，金属材料也可以用于间隔件，例如，为了节省成本和/或较低的精度要求。与碳纤维材料或石英玻璃相比，金属材料具有明显更高的热膨胀系数，因此对环境温度变化的响应更强。此外，由金属材料制成的间隔元件会具有比例如碳纤维杆显著更高的重量，这会额外地影响装置的某些位置中的测量精度。
根据本发明的装置的特别有利的进一步改进是，第一测量元件和/或第二测量元件是测量球或具有至少一个测量球部分。
为了在测量期间将测量元件视为测量点，已证明将测量元件配置为球形或具有球形部分是特别有利的。利用这种形状，可以使用球/球部分的已知半径来检测球/球部分的中心点，而不管探针从哪一侧接触测量元件，并且可以使用检测到的中心点作为测量点。
如果球或球部分具有尽可能大的暴露区域是特别有利的，其可以例如通过测量探针来探测。这具有以下优点：可以单独地执行每个球的中心点的确定，另外，由于可以从几乎所有侧面检测球，因此可以容易地识别球相对于彼此的位移。这两个优点提供了进一步提高测量精度的可能性。
根据本发明的装置可以有利地进一步改进为具有第一紧固元件和第二紧固元件，第一紧固元件具有用于将装置紧固到机床的机床部件的第一紧固部分，第二紧固元件具有用于紧固到机床的机床部件的第二紧固部分，其中第一紧固元件和第二紧固元件彼此间隔地布置在间隔元件上。
此外，根据本发明的装置可以通过将第一紧固元件和第二紧固元件各自经由刚性连接紧固到间隔元件和/或相应的一个测量元件来进一步有利地改进。
这允许将由测量元件和间隔元件组成的单元多点连接到机床部件上，以便更稳定地布置该单元。这里，优选的示例是装置的两点附接。然而，仅具有一个或多于两个的紧固元件的紧固是可能的。因此，两点附接在下文中将被理解为从多种可能性中选择的示例。再次明确指出，该装置不仅可被固定在机床部件上，而且可被固定在相应的工件上，或者结合地固定在机床部件和工件上。
根据本发明的装置可以通过第一紧固元件和第二紧固元件各自经由可锁定连接紧固到所述间隔元件和/或相应的一个测量元件来进一步有利地改进。
可锁定连接使得可以将紧固元件固定到机床部件，而间隔元件和/或测量元件相对于紧固元件的位置仍然是可变的。这对于测量元件与间隔元件的无应力布置是特别重要的，因为只有这样才能确保：即使在机床中布置和固定之后，也可以通过间隔元件保持先前限定的距离。
根据本发明的装置的有利改进在于，在可锁定连接的未锁定状态下，第一紧固元件和/或第二紧固元件可相对于间隔元件枢转和/或自由旋转。
根据本发明的装置可以通过第一紧固元件和/或第二紧固元件的可锁定连接具有一个或多个接头、特别是旋转接头和/或球接头来有利地改进。
特别地，紧固元件与间隔元件或测量元件之间的连接具有多个旋转自由度的可能性允许空间的状态尽可能无张力，并且因此尽可能小地影响由间隔元件(作为“长度标准”的重要部分)预定义的距离。因此，特别地，旋转接头和/或球接头是用于以无张力方式将间隔元件与测量元件紧固的优选选择。
根据本发明的装置的特别有利的改进包括第一紧固元件经由第一中间元件连接到间隔元件和/或相应的一个测量元件，其中第一接头被布置在第一紧固元件和第一中间元件之间，并且第二接头被布置在第一中间元件和间隔元件和/或相应的一个测量元件之间，和/或第二紧固元件经由第二中间元件连接到间隔元件和/或相应的一个测量元件，其中第三接头被布置在第二紧固元件和第二中间元件之间，并且第四接头被布置在第二中间元件和间隔元件和/或相应的一个测量元件之间。
为了进一步增加间隔元件与测量元件的连接的灵活性，并且还为了满足无张力布置的要求，可以使用中间元件，所述中间元件布置在紧固元件与测量元件或间隔元件之间。这些中间元件中的每一个具有至少两个接头，所述接头被设置为用于将紧固元件连接到间隔元件和/或测量元件。这些接头可以再次具有多个旋转自由度，这使得可以首先相对于机床部件固定紧固元件，然后相对于紧固元件固定间隔元件和测量元件。
根据本发明的装置可以有利地进一步改进为，第一中间元件具有用于同时锁定第一接头和第二接头的锁定机构，和/或第二中间元件具有用于同时锁定第三接头和第四接头的锁定机构。
此外，当通过中间元件实现锁定时，可以实现测量元件和间隔元件的尽可能无张力的状态，其中，当锁定中间元件时，同时固定/锁定至少两个接头。为此，如上所述的夹紧锁定选择也是有利的。
根据本发明的装置可以通过第一紧固元件和/或第二紧固元件包括用于附接到机床的机床部件的磁性保持件来进一步有利地改进。
因此，在可磁化的所有表面上非常灵活地使用该装置是可能的。因此，该装置不依赖于借助于机床内现有的螺纹点或类似的、依赖于格子的紧固选择来紧固，而是可以通过磁性保持件附接在机床(或其部件)测量所需的机床部件上的任何地方。
根据本发明的装置可以通过磁性保持件包括可切换电磁体和/或可机械切换磁性座来进一步有利地改进。
电动磁性线圈和纯机械切换磁性座(例如，通过改变安装在磁性座内的永磁体的位置)均可用于将装置紧固在机床内。
此外，还可以使用可释放的粘接结合以及夹紧连接(如螺纹连接、夹具等)将紧固元件紧固到机床的机床部件。
根据本发明的装置的有利改进是，间隔元件限定第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离。
有利的是，间隔元件还具有非常低的热膨胀系数，使得即使在变化的环境条件(例如温度变化)下也可以保持第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离。
根据本发明的装置可以通过第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离大于或等于100mm，特别是大于或等于200mm，特别是大于或等于300mm来有利地改进。
此外，根据本发明的装置可以通过第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离小于或等于800mm，特别是小于或等于700mm，特别是小于或等于600mm来有利地进一步改进。
已经发现，这些距离在根据本发明的装置的原理的首次应用测试中是有利的，并且允许在大量不同工作台尺寸和工作空间体积的机床中使用。
根据本发明的装置的有利的改进在于，所述装置被设置为用于在预定的机床上使用，其中所述机床具有可控线性轴，并且所述间隔元件具有在所述第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离，所述预定距离是所述可控线性轴的轴向长度的30％至70％，特别是40％至60％，特别是大致50％。
根据工作台尺寸和可控线性轴的轴向长度，相应地选择两个测量元件之间的较长或较短距离是有意义的。已经证明相对于可控线性轴的轴向长度的某些距离(例如，轴向长度的大约50％)是有利的，使得适于机床尺寸的装置的尺寸可以优选地用于快速评估机床的精度(机床几何形状)。
不过，两个测量元件之间的较长或较短距离对于相应的应用也是有利的。例如，对应于小于机床的轴向长度的50％的距离可能是有利的。尽管多次移位装置以测量机床更复杂，但是其允许检测明显更多的测量点，基于该测量点，可以对机床精度进行更详细且因此更精确的评估。
根据本发明的系统包括数控机床和根据上述方面/改进之一的用于在数控机床上使用的装置。
根据本发明的用于测量数控机床的方法包括以下步骤：在机床的工作主轴上接收测量设备，将根据前述改进中的一个的装置安装在机床的可线性和/或旋转移位的机床部件上，在机床上的机床部件的至少两个位置中利用测量探针确定第一测量元件的相应的实际位置，在机床上的机床部件的至少两个位置中利用测量设备确定第二测量元件的相应的实际位置，基于第一测量元件和第二测量元件在机床的机床部件的至少两个位置中的所确定的实际位置、第一测量元件和第二测量元件在机床的机床部件的至少两个位置中的相应的目标位置、以及第一测量元件和第二测量元件之间的已知距离，确定机床的一个或多个可控轴的一个或多个坐标基准参数。
在这里，可以使用点测量系统作为测量设备，除了作为优选的测量设备的测量探针之外，还可以包括激光点计或气隙计。
与使用例如测量探针和对应的测量元件的测量一样，通过测量探针连续地获取测量元件的至少两个位置，然后与测量元件理想地应当具有的位置进行比较，其中在该方法中进一步考虑测量元件彼此之间的距离(例如，作为基准值)。这里公开的方法不限于首先获取第一测量元件的多个位置，以便随后借助于第二测量元件开始测量。相反，在装置与相应的机床部件一起移动之前，可以仅获取第一测量元件和第二测量元件的第一位置，以便随后在第一测量元件或第二测量元件的第二位置处继续测量。
此外，该方法也不限于将两个测量元件布置在与安装有该装置的机床部件的表面平行的平面内。如果该装置包括上述中间元件，则还可以有意地在测量元件之间提供高度偏移，以便在一个测量周期中测量例如五轴机床的所有五个轴。
根据本发明的用于测量数控机床的方法包括以下步骤：在机床的工作主轴上接收测量设备，将根据权利要求1至22之一的装置安装在机床的可线性和/或旋转移位的机床部件上，感测所述机床的环境温度，相对于在分别确定第一测量元件的实际位置时感测到的机床的环境温度，在机床上的机床部件的至少两个位置中利用测量设备确定第一测量元件的相应实际位置，相对于在分别确定第二测量元件的实际位置时所感测的机床的环境温度，在机床上的机床部件的至少两个位置中利用测量设备确定第二测量元件的相应实际位置，参考机床的基准温度调整分别确定的第一测量元件和第二测量元件的相对于分别感测到的环境温度的实际位置，基于第一测量元件和第二测量元件在机床的机床部件的至少两个位置中相对于机床的基准温度的所确定的实际位置、第一测量元件和第二测量元件在机床的机床部件的至少两个位置中相对于机床的基准温度的相应目标位置，以及第一测量元件和第二测量元件之间的相对于机床的基准温度的已知距离，确定机床的一个或多个可控轴的一个或多个坐标基准参数。
在测量绝对值时，执行实际值的温度调整尤为重要，因为否则确定的实际值不能与目标值相比。特别地，当温度变化(例如，在机床车间中的全天)非常显著时，温度调节对于可靠地确定机床精度或机床误差可能是至关重要的。
通过在各自确定实际位置时检测环境温度来改进方法，可以校正所确定的实际位置的温度影响(测量过程中的温度变化等)。这是通过利用它们各自检测到的环境温度，参考机床的基准温度调整所确定的位置来实现的。因此，当温度在测量过程中变化时，实际位置和目标位置的比较是可能的，因为目标位置/目标值通常对于特定温度(在这种情况下为基准温度)是有效的。
在这里描述的方法中，可以再次使用点测量系统作为测量设备，除了作为优选的测量设备的测量探针之外，该点测量系统还可以包括激光点计或气隙计。
此外，温度影响的校正也可以通过将目标值(相对于特定温度)调整到相应的环境温度来执行。
使用根据本发明的用于测量机床的装置是一种简单的方式，其提供了在一个测量循环中更精确可靠地测量机床的所有线性轴和旋转轴，以及在此基础上校准机床的机床运动学和附加的基本几何形状的可能性，从而使得机床精度显著提高。
在以下关于附图的描述和说明中描述了其他方面和优点以及上述方面和特征的优点和更具体的实施例，但决不是限制性的。
附图说明
图1示意性地示出了具有机床部件(此处为机床工作台)的机床，该机床具有装置的第一实施例和其上安装有测量探针的工作主轴；
图2示意性地示出了具有机床部件(此处为机床工作台)的机床，该机床具有装置的第二实施例和其上安装有测量探针的工作主轴；
图3A示意性地示出了具有机床部件(此处为机床工作台)的机床，该机床部件具有装置的第二实施例和其上安装有测量探针的工作主轴；
图3B示意性地示出了根据图3A的具有机床部件(此处为机床工作台)的机床，该机床具有装置的第二实施例和其上安装有测量探针的移位的工作主轴；
图4示意性地示出了具有机床部件(此处为机床工作台)的机床，该机床具有装置的第三实施例和其上安装有测量探针的工作主轴；
图5A示出了装置的第四实施例，其具有沿着间隔元件的多个测量元件；
图5B示出了装置的第五实施例，其具有十字形间隔元件、多个测量元件(也沿着十字形间隔元件的部分)、以及装置的四点附接；
图6示出了根据本发明的方法的一实施例的流程图；
图7示出了根据本发明的另一方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细描述本发明的实施例的示例。附图中相同或相似的元件可以用相同的附图标记表示，但有时也用不同的附图标记表示。
然而，应注意，本发明决不限于以下描述的实施例及其特征，而是包括实施例的修改，特别是通过修改所描述的示例的特征或通过组合所描述的示例的一个或多个特征而包括在独立权利要求的范围内的那些实施例的修改。
图1示意性地示出了具有机床部件20(此处为机床工作台)的机床100，该机床100具有装置1的第一实施例和其上安装有测量探针10的工作主轴30。
装置1(测量装置1)包括两个测量元件3，每个测量元件3被附接到间隔元件2的一端并且被固定地连接到间隔元件2。此外，图1中的装置包括两个紧固元件4，通过这两个紧固元件4，装置1可被固定在机床部件20上。
测量元件3的测量球(或测量球部分)与间隔元件2的布置不一定限于一个平面。与图1所示的示例形成对比，测量元件3的测量球也可以相对于彼此围绕间隔元件2的纵向轴旋转任意角度。此外，测量元件3的测量球可以沿着图1所示的x轴，从间隔元件2的端部沿着间隔元件2的方向进一步向内布置，或者沿着相对于间隔元件2的相反方向进一步向外布置，并连接到间隔元件2的相应端部。这类似地适用于测量元件3的测量球相对于y轴和z轴。
测量元件3和间隔元件2通过刚性连接形成一个单元，刚性连接用于后面用于在机床100的测量中作为一种“长度标准”的参考目的。不过，此外，如果例如测量元件3和间隔元件2的端部具有限定测量元件3相对于间隔元件2的位置的机械止动件，则刚性连接可以由可拆卸连接代替。这可以是有利的，例如当为了不同形状的测量元件3或不同形状的测量球/测量球部分而必须替换测量元件3时，不过，测量元件的距离的重新测量可能不是绝对必要的。
此外，间隔元件2的材料被这样选择：其相对于温度变化具有非常低的膨胀系数。特别地，合适的材料为碳纤维或石英玻璃，其中碳纤维的热膨胀系数约为-0.1×10-6K-1，而石英玻璃的热膨胀系数约为0.54×10-6K-1。具有低热膨胀系数的其它材料也可适合于用作间隔元件。
在间隔元件2的端部处(如图1所示也是在测量元件3上)分别设置紧固元件4，以便将装置1紧固在机床部件20(此处为机床工作台)上。为此，紧固元件4可以包括电磁体或可机械切换的永磁体，借助于该电磁体或可机械切换的永磁体，每个紧固元件4可被紧固到机床部件20的表面。此外，可以在装置1和机床部件20之间使用可拆卸的粘接结合，而不是选择磁性紧固。此外，代替磁性紧固件或与磁性紧固件相结合，可以设置夹紧紧固件以将装置1固定到机床部件20。
优选地，容纳在机床100的工作主轴30中的测量探针10可以触觉地，即，通过接触来检测装置1(测量装置1)的测量元件3。不过，此外，也可以执行测量元件3的光学检测(例如借助于激光点计)，以便确定其相对于机床100的机床坐标系的相应位置。此外，测量探针10可以例如电容地或电感地感测与感测元件3的接触，但是也可以通过诸如在应变仪中使用的可变电阻来感测与感测元件3的接触。
机床100的工作主轴30现在可被用于通过图1所示的线性轴在X、Y和Z方向上移动测量探针10，从而触觉地感测测量元件3的测量球/测量球部分。由于测量元件3的测量球/测量球部分的已知半径，测量元件3的测量球/测量球部分的中心点现在可被用作测量点。不过，也可以使用测量探针10和测量元件3本身之间的接触点作为测量点，因为每个测量球/测量球部分本身都与理想球体的形状有偏差，但它们通常是小得可忽略不计的。
不过，利用多个接触点作为每个测量元件3的测量点，可以创建测量元件3的位置的更精细的图像，并且因此可以创建机床100的机床运动学和基本几何形状。这又可以证明对于机床100的可能的后续校准以及对于提高机床精度是非常有帮助的。
此外，如图1所示，工作台可以作为机床100的机床部件20绕第一和第二旋转轴移动。这使得产生装置1的测量元件3的高度偏移成为可能，而不必依赖于装置1在机床工作台上或在用于调整高度偏移的额外元件(例如，高度元件40，参见图2至图3B)上的灵活定位。基于此，现在可以在一个测量周期中测量机床100的所有轴。
故意不将装置1(测量装置1)相对于机床工作台对称地定位在机床工作台上可能是有利的。相反，可以尝试通过测量元件3的选定距离来实现测量元件3相对于机床工作台的尽可能不同的位置，同时始终保持测量元件3的距离尽可能恒定。这可以用于，例如提高机床100的测量的机床误差对其各自原因的可追溯性。
通常，机床100具有评估单元50(在此未作进一步说明)，所述评估单元50接收并且必要时处理确定的测量元件3的位置。另外，评估单元50通常被连接到温度测量机构60，温度测量机构60被配置为感测机床100内部和/或外部的环境温度，并将感测到的值发送到评估单元50，以便在确定的位置值处进行可能的考虑。
应该注意的是，如图1所示的线性轴和旋转轴的划分不限于工作主轴30可沿所有的三个线性轴(L1、L2、L3)移动，以及机床工作台仅可绕两个旋转轴(R1、R2)旋转。可控轴的划分例如也可以使得工作主轴30具有两个线性轴和一个旋转轴(垂直于工作主轴30的工作轴)，以及机床工作台具有一个线性轴和一个旋转轴。因此，应当考虑这种划分的各种进一步的设计可能性或者可能增加机床100的可控横动轴和移动轴的数量。
图2示意性地示出了具有机床部件20(此处为机床工作台)的机床100，其具有装置1的第二实施例和其上安装有测量探针10的工作主轴30。
与图1中的装置1相比，图2中的装置1还包括两个中间元件5，每个中间元件5经由两个接头7中的一个连接到紧固元件4并且经由两个接头7中的另一个连接到测量元件3。接头7可以具有旋转自由度，如简单的铰链情形，或者具有多个旋转自由度，例如在球形接头或万向接头中的情形。
每个中间元件5还具有锁定机构6，在将紧固元件4紧固在机床部件20上并且将测量元件3与间隔元件2一起对准之后，可以使用锁定机构6来固定测量元件3和间隔元件2相对于紧固元件4或机床部件20的位置。在此，所使用的中间元件5的接头7可被例如夹紧，或者可以防止接头7的运动。为了夹紧接头7，例如中间元件5的接头支承部分的紧固件借助于螺旋齿轮可以适合于作为锁定机构6。但是也可以考虑其它可能性，例如在自行车中使用的快速释放装置。
此外，通过使用根据图2中的示例性实施例的装置1，可以例如通过提升元件40有意地产生高度偏移(在此情况下在z方向上)。由于高度偏移，机床100的所有的5个轴可以在例如一个测量周期内测量，从而可以避免装置1的重新定位或移位，以便检测机床100的所有轴。
然而，提升元件40也可以是待加工的工件，其与机床100一起被测量。当必须以高精度制造/加工具有高重量的工件时，这是特别有利的。为此，有利的是，在实际加工过程之前，例如在工件被夹紧在机床工作台的情况下，测量机床工作台和工件的运动顺序，并且获取由此确定的误差(例如，在机床工作台的导轨中)并且在加工过程中将其考虑在内。这可以例如通过机床工作台的补偿、即目标位置值的校正来实现，以便显著地提高工件的加工精度。
为了避免不必要的重复，关于评估单元50、温度测量机构60、以及线性轴和旋转轴(L1、L2、L3、R1、R2)的描述请参考图1。
图3A示意性地示出了具有机床部件20(此处为机床工作台)的机床100，其具有装置1的第二实施例和其上安装有测量探针10的工作主轴30。
与图2所示设计的差异在于，机床100现在具有与图1和图2中的机床100不同的构造。
这里示出的机床100的工作主轴30现在具有两个线性轴(在此在x和z方向上)和一旋转轴(一起是L1、L2、R3)，所述旋转轴使得工作主轴30可绕y轴旋转。此外，机床工作台(作为机床部件20)现在具有一线性轴(y方向，L3)和一旋转轴(R2)，机床工作台可以利用旋转轴(R2)围绕z轴旋转。此外，工具的尖端，在这种情况下是测量探针10的尖端，如通常在机床100中构造的那样，位于工作主轴30的旋转轴的旋转轴线中，这将在图3A中通过围绕工作主轴30的圆的中心示出。
机床100的这种构造的特别之处在于，当没有高度偏移地定位装置1的测量元件3时(如图1所示)，不能在与其他轴相同的周期中测量z方向上的线性轴。不过，如图2和图3A所示，通过将装置1配置为具有中间元件5，测量结构是柔性的，使得可以提供用于在z方向上测量线性轴的高度偏移。这可以通过使用提升元件40(或工件)来额外地放大，以便增加线性轴必须在z方向上移动的移动范围。
为避免不必要的重复，关于评估单元50和温度测量机构60的描述请参考图1。
图3B示意性地示出了根据图3A的具有机床部件20(此处为机床工作台)的机床100，其具有装置1的第二实施例和其上安装有测量探针10的移位的工作主轴30。
图3B示出了机床100的工作主轴30从竖直位置到水平位置的移位、以及探针10的尖端如何保持在其位置中。这再次表明需要高度偏移，以避免装置1相对于机床工作台重新定位在改变的位置。
为了避免不必要的重复，关于评估单元50、温度测量机构60、以及线性轴和旋转轴(L1、L2、R3、L3、R2)的描述请参考图1。
图4示意性地示出了具有机床部件20(此处为机床工作台)的机床100，其具有装置1的第三实施例和其上安装有测量探针10的工作主轴30。
通过设置伸缩调节机构8，这里所示的装置1的实施例与图3A和图3B所示的装置1不同，借助于所述伸缩调节机构8，各测量元件3和机床部件20之间的距离可以在一定范围内被逐步地或者连续地调节。
在伸缩调节机构8中，到机床部件20的距离可以以夹紧方式(例如，借助于联管螺母或快速释放装置)被保持，或者紧固元件4设置有螺纹并且可以拧入或拧出测量元件3，使得紧固元件4和测量元件3之间的距离可被增大或减小。此外，距离的逐步调节是可能的，例如借助于闩锁机构。
为了避免不必要的重复，关于评估单元50、温度测量机构60、以及线性轴和旋转轴(L1、L2、R3、L3、R2)的描述请参考图1。
图5A示意性地示出了装置1的第四实施例，该装置1具有沿着间隔元件2的多个测量元件3。
这里所示的装置1现在不仅在间隔元件2的两端各具有一个测量元件3，而且还具有沿着间隔元件2安装的另外的测量元件3。在这种情况下，附加的测量元件3的数量决不限于所示的数量，正如附加的测量元件3在间隔元件2的长度上的划分决不限于所示的那样。测量元件3之间的距离可以预先确定或者可以在机床100的测量之前测量。
由此可以有利地获得每个测量周期显著更高数量的测量点，这可显著改善机床几何形状的测量和随后的校正。此外，测量元件3在间隔元件2的长度上的分布可以是非常灵活的，以便为需要更详细地检测其位置变化的区域提供更多的测量元件3。在作为机床工作台的机床部件20上，这些区域可以是，例如与机床工作台的枢转点具有更大距离的区域。
装置1也可以通过图4所描述的伸缩调节机构8进行扩展，和/或通过图2中描述的中间元件5、锁定机构6和/或接头7进行扩展，即使它们没有被明确示出在图5A中。
图5B示意性地示出了装置1的第五实施例，其具有十字形间隔元件2、多个测量元件3(也沿着十字形间隔元件2的部分)、以及装置1的四点附接。
不将间隔元件2配置为纯杆状元件，而是使其成为十字形元件也是有利的。这导致为间隔元件2配备测量元件3的其他可能性，这又可适于机床100的测量的特定需要。这也使得在每个测量周期获得显著更高数量的测量点成为可能，这又可以显著改善机床几何形状的测量和随后的校正。
此外，例如，可以通过十字形间隔元件2延伸的两个空间方向来检测叠加的不精确性。一个示例是机床部件20的旋转轴的情形。在此，不仅可以在旋转轴旋转时检测径向方向上的轴误差/轴偏差，而且还可以并行地检测旋转轴的倾斜。这节省了时间并且在非常短的时间内示出了不精确性，否则这可能只能通过装置1的更频繁的测量和移动而被检测到。
同样，测量元件3的数量决不限于所示的数量，正如附加的测量元件3在十字形间隔元件2的杆状区域的长度上的分布决不限于所示的那样。
此外，测量元件3不必设置在十字形间隔元件2的杆状部分的交叉点上。杆状部分也可以通过连接元件彼此连接，或者也可以一体形成十字形间隔元件2。
装置1也可以通过图4所描述的伸缩调节机构8进行扩展，和/或通过图2所描述的中间元件5、锁定机构6和/或接头7进行扩展，即使这些没有被明确示出在图5B中。
图6示出了根据本发明的方法的示例性实施例的流程图。
在根据本发明的方法中，在步骤S102中，在该方法开始时，测量探针10被接收在机床100的工作主轴30中并投入运行。在此，可以执行随后的子步骤，以便连接测量探针10与评估单元50(在此未作进一步说明)，并且针对机床100中存在的机床坐标系来配置测量探针10。
在下一步骤S103中，借助于紧固元件4将装置1紧固在机床部件20上，机床部件20可以相应地沿着各种纵向轴和/或各种旋转轴运动。另外，如图2所示，提升元件40可被用于有意地产生装置的测量元件3的高度偏移。此外，代替提升元件40或者与提升元件40相结合，可以使用已经夹紧在机床100的机床工作台(作为机床部件20)上的待加工工件，装置1可被紧固到该待加工工件上。
在随后的步骤S104中，借助于测量探针10确定装置1的第一测量元件3在机床部件20的第一位置处的位置坐标(实际位置)。在通过将机床100的例如三个线性轴和两个旋转轴的至少一个可控轴移动到第二位置而改变了机床部件20的位置之后，通过测量探针10再次确定第一测量元件3的位置坐标(实际位置)，机床部件20所采用的位置的数目不限于2个位置，而是可以任意增加的，正如测量探针10与机床部件20的每个位置的第一测量元件3或任何其它测量元件3的接触(接触点)的数目那样。
在步骤S105中，类似于步骤S104，在机床部件20的至少两个位置中执行装置1的第二测量元件3的位置坐标(实际位置)的确定。
不过，运动也可以被修改为这样：在机床部件20的第一位置处通过测量探针10确定第一测量元件3的位置坐标(实际位置)，随后在机床部件20移动到第二位置之前，通过测量探针10确定第二测量元件3的位置坐标(实际位置)，而不改变机床部件20的位置。
在下一步骤S106中，根据机床100的至少一个可控轴确定机床100的机床坐标系的一个或多个基准参数(坐标基准参数)。这通过评估第一测量元件和第二测量元件3在机床部件20的至少两个位置中的所确定的位置坐标(实际位置)、第一测量元件和第二测量元件3在机床部件20的至少两个位置中的相应目标位置、以及第一测量元件和第二测量元件3之间的先前已知的距离来实现。
借助于基准参数，现在可以例如通过补偿来校准机床100的相应可控轴。此外，评估还可以提供关于机床100的相应轴中的误差补偿是否有意义或甚至可能的信息。如果不再可能补偿可控轴的误差，则可以使用基准参数或所得到的与理想轴的偏差来调整或以其他方式校准相应的可控轴。
有利的是，可以与所述评估一起执行机床100的分类。如此，根据工件所需的精度或工件所需的公差，可以在工件的加工顺序的过程中快速地决定，在哪个机床100上可以执行相应的加工步骤。
图7示出了根据本发明的另一方法的实施例的流程图。
根据本发明的另一方法的步骤S201至S203与根据本发明的之前的方法的步骤S101至S103相同。
在步骤S204中，检测环境温度。这可以通过，例如机床100内部和/或外部的一个或多个温度测量机构60来执行。感测到的温度值被发送到评估单元50(在此未作进一步说明)并在其中被处理。
在随后的步骤S205中，借助于测量探针10在机床部件20的第一位置中确定装置1的第一测量元件3的位置坐标(实际位置)。在通过将机床100的例如三个线性轴和两个旋转轴的至少一个可控轴移动到第二位置而改变了机床部件20的位置之后，通过探针10再次确定第一测量元件3的位置坐标(实际位置)。第一测量元件3的实际位置的确定是相对于此时测量的环境温度来执行的。
机床部件20所采用的位置数目不限于2个位置，而是可以任意增加的，正如测量探针10与机床部件20的每个位置的第一测量元件3或任何其它测量元件3的接触(接触点)的数目那样。
在步骤S206中，类似于步骤S205，在机床部件20的至少两个位置中执行装置1的第二测量元件3相对于此时测量的环境温度的位置坐标(实际位置)的确定。
在步骤S207中，参考机床100的基准温度调整相对于此时感测到的温度值所确定的实际位置(实际值)。这确保了所有值(包括目标位置/目标值的值)在相同的温度下都有效。只有这样，才有可能将实际位置与相应的目标位置进行比较，并尽可能精确地确定偏差/误差。
在步骤S208中，现在根据机床100的至少一个可控轴确定机床100的机床坐标系的一个或多个基准参数(坐标基准参数)。这通过评估第一测量元件和第二测量元件3在机床部件20的至少两个位置中相对于机床100的基准温度的所确定的位置坐标(实际位置)、第一测量元件和第二测量元件3在机床部件20的至少两个位置中相对于机床100的基准温度的相应目标位置、以及第一测量元件和第二测量元件3之间的相对于机床100的基准温度的先前已知的距离来实现。
借助于基准参数，现在可以例如通过补偿来校准机床100的相应可控轴。此外，评估还可以提供关于机床100的相应轴中的误差补偿是否有意义或甚至可能的信息。如果不再可能补偿可控轴的误差，则可以使用基准参数或所得到的与理想轴的偏差来调整或以其他方式校准对应的可控轴。
在上文中，已经参考附图详细描述了本发明的示例和实施例及其优点。
然而，应该再次注意，本发明决不限于上述实施例及其特征，而是进一步包括实施例的修改，特别是通过修改所描述的示例的特征或通过组合所描述的示例的一个或多个特征而包括在独立权利要求的范围内的那些实施例的修改。
附图标记列表：1装置/测量装置，2隔离元件，3测量元件，4紧固元件/紧固部分，5中间元件，6锁定机构，7接头，8伸缩调节机构，10测量探针，20机床部件，30工作主轴，40提升元件，50评估单元，60温度测量机构，100机床。

Claims (23)

1.一种用于在数控机床上使用的、在用于测量所述数控机床的方法中应用的装置，所述装置包括：
-用于经由测量设备进行测量的第一测量元件，
-用于经由所述测量设备进行测量的第二测量元件，
-间隔元件，所述第一测量元件和所述第二测量元件彼此间隔地布置在所述间隔元件上，
-第一紧固元件，所述第一紧固元件具有用于将所述装置紧固到所述机床的机床部件的第一紧固部分，以及
-第二紧固元件，所述第二紧固元件具有用于将所述装置紧固到所述机床的所述机床部件的第二紧固部分，
其中所述第一紧固元件和所述第二紧固元件彼此间隔地布置在所述间隔元件上，且
其中所述第一紧固元件和第二紧固元件各自经由可锁定连接紧固到所述间隔元件和/或相应的一个所述测量元件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一测量元件和第二测量元件各自经由刚性连接紧固到所述间隔元件。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件具有布置在所述第一测量元件和第二测量元件之间的部分，该部分由热膨胀系数小于或等于3.0×10-6K-1的材料形成；或
所述间隔元件具有布置在所述第一测量元件和第二测量元件之间的部分，该部分由在所述第一测量元件和第二测量元件之间的间隔方向上具有小于或等于3.0×10-6K-1的热膨胀系数的材料形成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件包括至少在所述第一测量元件和第二测量元件之间的、具有小于或等于3.0×10-6K-1的热膨胀系数的材料；或
所述间隔元件包括至少在所述第一测量元件和第二测量元件之间的、在所述第一测量元件和第二测量元件之间的间隔方向上的、具有小于或等于3.0×10-6K-1的热膨胀系数的材料。
5.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件具有布置在所述第一测量元件和第二测量元件之间的由碳纤维增强塑料形成的部分，或者
所述间隔元件由碳纤维增强塑料形成。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件被配置为碳纤维杆。
7.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件具有布置在所述第一测量元件和第二测量元件之间的由石英玻璃形成的部分，或者
所述间隔元件由石英玻璃形成。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件被配置为石英玻璃棒。
9.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于
所述第一测量元件和/或所述第二测量元件是测量球或具有至少一个测量球部分。
10.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，
在所述可锁定连接的未锁定状态下，所述第一紧固元件和/或第二紧固元件可相对于所述间隔元件枢转和/或自由旋转。
11.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述第一紧固元件和/或第二紧固元件的所述可锁定连接具有一个或多个接头。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一紧固元件和/或第二紧固元件的所述一个或多个接头是旋转接头和/或球接头。
13.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，
所述第一紧固元件经由第一中间元件与所述间隔元件和/或相应的一个所述测量元件连接，其中第一接头被布置在所述第一紧固元件和所述第一中间元件之间，并且第二接头被布置在所述第一中间元件和所述间隔元件和/或所述相应的一个所述测量元件之间，和/或
所述第二紧固元件经由第二中间元件与所述间隔元件和/或相应的一个所述测量元件连接，其中第三接头被布置在所述第二紧固元件和所述第二中间元件之间，并且第四接头被布置在所述第二中间元件和所述间隔元件和/或所述相应的一个所述测量元件之间。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，
所述第一中间元件具有用于同时锁定所述第一接头和第二接头的锁定机构，和/或
所述第二中间元件具有用于同时锁定所述第三接头和第四接头的锁定机构。
15.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，
所述第一紧固元件和/或第二紧固元件包括用于紧固到所述机床的所述机床部件的磁性保持件。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，
所述磁性保持件包括可切换电磁体和/或可机械切换磁性座。
17.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，
所述间隔元件限定所述第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，
所述第一测量元件和第二测量元件之间的所述预定距离大于或等于100mm。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，
所述第一测量元件和第二测量元件之间的所述预定距离小于或等于800mm。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，
所述装置被设置为用于在预定的机床上使用，其中所述机床包括可控线性轴，并且所述间隔元件具有在所述第一测量元件和第二测量元件之间的预定距离，所述预定距离是所述可控线性轴的轴向长度的30％至70％。
21.一种系统，包括数控机床和根据前述权利要求之一的用于在数控机床上使用的装置。
22.一种用于测量数控机床的方法，所述方法包括：
-在所述机床的工作主轴上接收测量设备，
-将根据权利要求1至20之一的装置安装在所述机床的可线性和/或旋转移位的机床部件上，
-在所述机床上的所述机床部件的至少两个位置中利用所述测量设备确定所述第一测量元件的相应的实际位置，
-在所述机床上的所述机床部件的至少两个位置中利用所述测量设备确定所述第二测量元件的相应的实际位置，
-基于所述第一测量元件和第二测量元件在所述机床的所述机床部件的所述至少两个位置中的所确定的实际位置、所述第一测量元件和第二测量元件在所述机床的所述机床部件的所述至少两个位置中的相应的目标位置、以及所述第一测量元件和第二测量元件之间的已知距离，确定所述机床的一个或多个可控轴的一个或多个坐标基准参数。
23.一种用于测量数控机床的方法，所述方法包括：
-在所述机床的工作主轴上接收测量设备，
-将根据权利要求1至20之一的装置安装在所述机床的可线性和/或旋转移位的机床部件上，
-感测所述机床的环境温度，
-相对于在分别确定所述第一测量元件的实际位置时感测到的所述机床的环境温度，在所述机床上的所述机床部件的至少两个位置中利用所述测量设备确定所述第一测量元件的相应的实际位置，
-相对于在分别确定所述第二测量元件的实际位置时感测到的所述机床的环境温度，在所述机床上的所述机床部件的至少两个位置中利用所述测量设备确定所述第二测量元件的相应的实际位置，
-参考所述机床的基准温度，调整分别确定的所述第一测量元件和第二测量元件的相对于分别感测到的环境温度的实际位置，
-基于所述第一测量元件和第二测量元件在所述机床的所述机床部件的所述至少两个位置中相对于所述机床的所述基准温度的所确定的实际位置、所述第一测量元件和第二测量元件在所述机床的所述机床部件的所述至少两个位置中的相对于所述机床的所述基准温度的相应目标位置、以及所述第一测量元件和第二测量元件之间的相对于所述机床的所述基准温度的已知距离，确定所述机床的一个或多个可控轴的一个或多个坐标基准参数。
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