CN115362345A - 校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于诸如机床等坐标定位机器的校准装置。该装置(200)包括基座(30；130；202)、校准制品(34；134)和偏转机构(32)，该偏转机构将该校准制品(34；134)附接至该基座(30；130；202)并且允许该校准制品(34；134)通过施加外力相对于该基座(30；130；202)被移动。该装置进一步包括可释放锁，该可释放锁在被锁定时使该校准制品(34；134)相对于该基座(30；130；202)固定不动。

Description

校准装置和方法

本发明涉及一种用于与诸如机床等坐标定位设备一起使用的校准装置。特别地，本发明涉及一种复杂度降低的校准装置以及使用这种装置的关联方法。

多种坐标定位设备是已知的。例如，数控机床在制造业中广泛使用以切割零件，诸如用于车辆、飞行器等的金属零件。为了以高准确度(例如，在几微米内)切割特征，有必要校准此类机床上的测量探针。在使用具有一个或多个旋转轴线的机床(例如，车铣复合机床或五轴机床)时尤其是如此，在这些机床中，在切割程序期间改变零件相对于切割工具的取向。

尤其对于具有至少一个旋转轴线的机床而言，典型校准程序的关键部分在于确立环规、校准球体等的中心相对于机床的参照位置的位置。一旦确立，该中心接着就可以充当工作坐标系中的机器基准点，所有的后续测量和校准程序都基于该机器基准点。

已知的是，使用安装在机床的主轴中的刻度盘测试指示器或触摸探针来在平行于机床的床的平面(典型地被称为XY平面)中确立球体中心位置。沿着垂直于机床的床的轴线(典型地被称为Z轴)来测量球体中心位置是更加复杂的、并且迄今为止典型地使用各种手动程序来执行。例如，已知的是，在手动控制下将已知长度的参照工具沿着z轴朝向校准球体移动。使参照工具朝向球体前进，直到已知厚度的量块恰好“夹在”参照工具与球体之间。这样的手动程序可能是不准确的，并且已经发现校准的结果因操作者而异。

国际专利公开WO 2017/121990描述了一种校准装置，该校准装置允许相对于机床的参照位置确立校准球体的中心。该装置包括校准制品，该校准制品相对于其基座被偏置到已知且可重复的停置位置，但是该校准制品在(例如，通过校准的长度棒)对其施加足够大的力时可以从该停置位置被移开。在装置内提供传感器以测量(例如，沿机器的z轴)偏离停置位置的偏转幅度，从而允许使用外推技术以高准确度确定校准装置(例如，在z轴上)的位置。WO 2017/121990的装置能够实现对球体位置进行高度准确和全自动测量，但本发明人已发现校准装置的制造和使用相对昂贵。

根据本发明的第一方面，提供一种用于坐标定位机器的校准装置，该校准装置包括：

基座；

校准制品，以及

偏转机构，该偏转机构将校准制品附接到基座并且允许校准制品通过施加外力而相对于基座被移动，

其特征在于，该装置进一步包括可释放锁，该可释放锁在被锁定时使校准制品相对于基座固定不动。

因此，提供了一种校准装置，其适用于校准坐标定位机器，诸如机床、坐标测量机(CMM)、机器人等。校准装置包括基座，该基座优选地可释放地附接到坐标定位机器的一部分。例如，基座可以磁性地附接到机床的床。校准装置还包括校准制品，诸如校准球体(例如，具有已根据可追溯的测量标准而准确测量的半径的球体)、部分球体、圆顶表面、环规或通过偏转机构附接到基座的平台。

偏转机构允许校准制品相对于基座移动，但该装置的特征在于还包括允许根据需要以及在需要时防止这种相对运动的锁。换言之，偏转机构可以被“解锁”从而允许校准制品相对于基座移动，或被“锁定”从而防止校准制品相对于基座移动。这种布置允许校准制品在解锁时通过施加外力而相对于基座被移动到偏转位置。例如，机器的主轴中承载的已知长度棒或参照工具可以接合校准制品并相对于基座移动校准制品。一旦被移动到这样的偏转位置，锁可以被启动(即，锁定)，使得校准制品即使在长度棒或参照工具从其脱离接合时也保持在该偏转位置。因此，如果使用在坐标定位机器的坐标系中具有已知位置的参照工具(例如，长度棒、已知长度的工具等)设置偏转位置，则校准制品变得相对于基座固定不动，并且校准制品的位置是已知的。然后校准制品可以保持锁定(固定)就位，并且可以用于进一步的校准任务。

因此，本发明的校准装置具有以下优点：它可以提供在机器坐标系内具有已知位置(例如，在一个维度、二个维度或三个维度上)的校准制品，但这可以在无需感测与校准制品何时进行接触并且无需测量校准制品的偏转量的情况下完成。而是，本发明人已经认识到，校准制品可以移动到任何任意位置，只要可以在机床坐标系中确定该位置即可。因此，本发明的校准装置比现有技术装置(诸如，在现有专利公开WO 2017/121990中描述的那些装置)具有更低的复杂性并且因此制造成本更低，同时还消除了将已知厚度的量块夹在参照工具与校准球体之间的主观因素。虽然需要将校准装置锁定的步骤，但即使手动完成，也可以仅在机器停止移动后进行；即，当机器移动时，无需例如通过超控安全联锁等触及校准装置。

偏转机构在被解锁时可能在一定程度上限制校准制品的运动(例如，运动可能被限制为沿一个或多个轴线平移)。在一个实施例中，偏转机构可以方便地包括引导件，当可释放锁被解锁时，该引导件提供校准制品的线性平移。换言之，偏转机构可以包括引导件，当可释放锁被解锁时，该引导件引导校准制品来回线性移动(即，沿着线性轴线移动)。偏转机构可以防止校准制品的旋转。在一个示例中，允许校准制品沿与偏转机构的可移动轴平行的轴线进行线性运动。校准制品的此线性运动轴线在使用中可以大致对准以与参照工具的纵向轴线重合。然后可以将这样的参照工具移动成沿着其纵向轴线与校准制品接合，使得校准制品继而沿着其线性运动轴线偏转。根据定义，参照工具的长度是已知的，因此校准制品沿该轴线的位置是已知的。

如果偏转机构将校准制品限制为仅沿某个轴线(例如，线性平移轴线)移动，则可以将由该制品限定的相关参照点布置为位于该轴线上或其附近。换言之，校准制品可以方便地位于线性轴线上。例如，校准球体的中心可以布置成基本上位于线性平移轴线上并且因此沿着线性平移轴线来回平移。这防止或减少了施加到偏转机构(即，当校准制品被移动时)的任何外力导致装置的离轴运动或偏转(变形)。这继而有助于确保在偏转力被移除时(例如，当参照工具脱离接合时)，一旦可释放锁被锁定，校准制品不会显著改变位置。

有利地，偏转机构包括偏置件。偏置件可以使校准制品朝向停置位置偏置。偏置件可以由一个或多个弹簧(例如，螺旋弹簧)提供。偏置件施加的力优选地不足以克服锁施加的锁定力。因此，偏置件仅在锁处于解锁状态时引起校准制品的运动。换言之，当锁被锁定时，偏置件不足以克服锁定力，因此校准制品相对于基座固定不动。校准制品被偏置至的停置位置不需要重复限定(即，校准制品采用的停置位置对校准准确性没有影响)。

可释放锁可以以多种方式实现。可释放锁可以是可远程启动的锁。例如，可释放锁可以是电动或气动启动的锁，该锁可以通过(例如，经由电线或气动线路)向装置发送适当的命令来自动(非手动)锁定/解锁。优选地，可释放锁是手动启动的(即，它由操作员/使用者手动致动)。因此，可释放锁方便地包括手动启动的锁定构件。锁定构件优选地是锁定杠杆。替代地，锁定构件可以是扭锁构件。

校准装置可以包括任何合适的校准制品。因此，校准制品可以是具有一个或多个已知尺寸的任何物品(例如，已知大小的制品)。校准制品可以包括平坦表面。校准制品可以包括圆顶表面(例如，具有大直径球体的曲率的表面)。可以通过对经校准(可追溯)的标准的先前测量而得知该制品的一个或多个尺寸。例如，该制品的一个或多个尺寸可以之前就在坐标测量机(CMM)上测得，该坐标测量机是根据相关的(国家的或国际的)校准标准进行校准的。校准制品可以包括环规、立方体、盘(例如，具有已知半径)等。方便地，该校准制品包括球体。该球体可以具有已知的半径。为简单和准确起见，优选的是已知半径的球体，因为能够通过测量球体表面上的多个点的位置来确定球体中心的位置(例如，x、y、z坐标)。校准球体可以是完整的球体或部分球体(例如，它可以仅包括球体的一部段或包括用于附接至杆的平坦区域或凹部)。

校准制品可以在一个维度、二个维度或所有三个维度上在工作坐标系中提供基准点。例如，校准球体可以提供三维基准点(例如，球体中心)。环规可以提供二维基准点(例如，环在某个平面中的中心点)。平坦表面可以提供一维数据点(例如，包含该表面的平面的位置)。校准装置可以包括(可移动/可锁定的)校准制品和附加校准制品。例如，该装置可以包括(可移动/可锁定的)平坦或圆顶表面和不可移动的附加制品(例如，不可移动地附接到装置的基座的环规或球体)。以这种方式，可以使用(可移动/可锁定的)校准制品和附加校准制品这二者的特征在三个维度上限定工作坐标系中的基准点。

校准装置可以包括附接到基座或形成为基座的一部分的壳体。偏转机构可以部分或完全容纳在壳体内。偏转机构可以包括将校准制品附接到基座的长形杆。校准制品可以直接附接到杆，或者其他部件(例如，有角度的楔子、延伸件等)可以将校准制品附接到杆。因此，可以适当地选择校准制品和其所附接的杆的取向(例如，以允许校准装置的竖直和/或水平安装)。

基座可以以多种方式安装到机器。例如，基座可以螺栓连接到机器的床。有利地，基座可以包括磁性附接装置，该磁性附接装置用于将基座可释放地固定到坐标定位机器的金属表面(例如，固定到机床的床)。换言之，可以使用可以将装置可释放地附接到金属表面的磁性基座。这允许装置被牢固地固持，但容易地移除。

校准装置可以被配置用于附接到任何坐标定位机器。有利地，校准装置被配置用于附接到包括机床的坐标定位机器。机床可以具有至少三个、至少四个或至少五个运动轴线。机床可以具有至少一个旋转轴线。机床可以具有至少两个旋转轴线。机床可以是车削机器、车床或车铣复合机器。校准装置可以可附接到能够相对于工具固持主轴被移动的机床的床。本发明还扩展到包括校准装置的坐标定位机器。例如，可以提供包括校准装置的机床。

根据本发明的第二方面，还提供了一种校准坐标定位机器(例如，机床)的方法。该方法包括以下步骤：(i)将经校准的工具(例如，长度棒或已知长度的工具)和校准制品(例如，校准球体)安装在坐标定位机器上，(ii)使用坐标定位机器使经校准的工具移动成与校准制品接合，使得校准制品从初始位置移动到偏转位置，以及(iii)将校准制品锁定在偏转位置，使得校准制品在与经校准的工具脱离接合后维持在偏转位置。

然后可以执行进一步的步骤(iv)：使用坐标定位机器移动测量探针以测量校准制品的表面上的多个点的位置。测量探针可以是具有用于与制品接触的触针的触觉测量探针；例如，接触触发式测量探针或模拟(扫描)探针。替代地，测量探针可以是非接触式测量探针。测量探针可以承载在机器的主轴中。因此，测量探针可以用于测量校准制品的位置。例如，可以使用测量探针找到校准球体的x-y坐标并且与通过使用校准工具已知的球体中心的z坐标结合使用以将校准制品放置在停置位置。

有利地，该校准制品包括球体。然后可以使用球体的中心位置在坐标定位机器的局部坐标系中限定参照位置。此球体中心(参照)位置可以在机器坐标系中确定并用于进一步的校准程序。

在优选实施例中，根据本发明的第一方面的校准装置用于本发明的第二方面的方法中。校准装置然后可以提供校准制品并且该方法的步骤(iii)可以包括锁定该装置的可释放锁。

本发明的又一方面提供了一种用于坐标定位机器的校准装置，该校准装置包括基座、校准制品和将校准制品附接到基座的可锁定机构，其中，可锁定机构可以采用：解锁状态，在该解锁状态，校准制品通过施加外力相对于基座是可移动的；和锁定状态，在该锁定状态，校准制品的位置相对于基座被锁定。当处于解锁状态时，校准制品可以朝向停置位置偏置。校准制品可以包括具有已知半径的校准球体。可锁定机构可以包括用于在锁定状态与解锁状态之间改变的手动致动构件。基座可以包括磁体以允许附接到机床的床。

本文还描述了一种校准装置。校准装置可以用于坐标定位机器。校准装置可以包括基座。校准装置可以包括校准制品。校准装置可以包括偏转机构。偏转机构可以将校准制品附接到基座。偏转机构可以允许校准制品通过施加外力而相对于基座被移动。该装置可以进一步包括(可释放的)锁。当锁定时，锁可以使校准制品相对于基座固定不动。该装置可以包括上述特征中的任何特征和/或在上述方法中的任何方法中使用。

现在将仅通过举例方式、参考附图来描述本发明，在附图中；

图1示出了多轴机床，

图2示出了使用校准球体的现有技术的校准技术，

图3a和图3b示出了本发明的校准装置，该校准装置包括分别处于解锁状态和锁定状态的锁定杠杆，

图4更详细地示出了图3a和图3b的装置的各种内部零件，

图5示出了本发明的另一校准装置，该另一校准装置包括扭锁机构，

图6更详细地示出了图5的装置的各种内部零件，

图7a至图7c展示了可以如何使用校准装置来帮助校准机床，以及

图8示出了校准装置的替代实施例。

图1展示了多轴机床。该机床包括主轴2，该主轴可以围绕典型地被称为S-轴的轴线高速旋转。主轴2包括用于接纳切割工具4或其他配件(诸如，测量探针)的楔形柄杆的楔形安装件6；这允许在需要时将工具和配件装载到主轴2中。主轴2可以通过机床沿着三条线性轴线在空间中移动；这些机床轴线典型地被称为X轴、Y轴和Z轴。提供了在其上安装工件12的工作台10。工作台10可以关于A-轴倾斜、并且还围绕B-轴旋转。

在切割期间，切割工具4围绕S-轴以高速旋转，并且机床控制器遵循在切割程序中限定的指令列表将工具4相对于工件12沿着希望的切割路径移动。切割路径可以包括主轴沿着X轴、Y轴和Z轴的平移运动、以及围绕A轴和B轴的旋转运动。为了从工件上去除所需的材料，甚至在发生围绕A轴和B轴的旋转运动时，需要准确地知道工具尖端相对于工件的位置。因此，这些年来已经开发出各种各样的技术和装置来执行这样的校准。

如本领域技术人员熟知的，许多自动化机床校准技术都涉及使用主轴安装式测量探针来对安装至机床的床的校准球体(即，已知半径的球体)进行各种测量。这些测量典型地依赖于高准确度地了解校准球体的中心相对于机床的参照位置(例如，x、y、z机床坐标系的原点)的位置。因此，这些年来已经开发出各种各样的技术来准确地测量球体中心位置。一旦测量，随后的机器上的测量(例如，用于校准、工件测量或工具测量目的等)可以与该球体中心位置相关联。

参照图2，将描述允许确定固定(不可移动)地安装至机床的床的校准球体20的中心的位置的现有技术的技术。该球体可以被固定至基座或机床内的通常放置工件的另一结构。因此，该球体可以安装到机床的工作表面上，该工作表面可以包括机床的一个或多个旋转轴线。

首先应注意的是，已知了允许高准确度地确立校准球体的XY位置的多项技术。例如，可以将刻度盘测试指示器(DTI)安装到机床的主轴中并且使用其“记录”校准球体20的在该球体的中纬线附近的直径。这典型地通过轻推(即，在手动控制下移动)X和Y位置直到当主轴旋转时刻度盘指示器也不会偏转来完成。当实现这点时，主轴的XY位置就是球体的中心位置。

还已知了使用被安装在机床的主轴中的接触触发式探针来测量XY球体中心位置。将主轴旋转位置(即，围绕S-轴的旋转角度)定向为零度，并且测量球体中心并且记录球体中心的XY位置。然后将主轴旋转180°，并且重新测量球体中心的XY位置。将测得的这两个XY球体中心位置之间的平均值用作中心位置；即，消除了接触探针球形触针相对于主轴的旋转中心进行偏心安装所导致的任何误差。

虽然上述技术允许找到XY球体中心位置，但这些技术典型地不能足够准确地为具有一个或多个旋转轴线的机床确立球体的Z位置。因此，已知了用于确定球体的Z-位置的多项单独的技术。

最常用的技术在图2中展示出并且涉及使用所谓的塞尺量块24；该量块可以是已知的(例如，经校准的)厚度的材料块或材料片。具有已知的、经校准的长度的参照工具22被装载到机床的主轴中。使该主轴移动，使得参照工具22被定位在球体20的上止点的上方。塞尺或量块24被定位在参照工具22的一端与球体20之间。使用机床的手动“轻推”功能，使工具手动地向下移动直到量块24恰好“夹在”参照工具22与球体20之间。这个手动过程需要工程师去“感受”量规何时自由移动、但不存在游隙或间隙空隙。当这点被实现时，使用当前机器位置、工具长度和经校准球体半径来计算球体的中心Z位置。

还已知的是使用定制的长度设定装置来设定Z-位置。被称为Base-Master的装置由日本大昭和精机株式会社(Big Daishowa)制造、由英国阿尼克的计量软件产品有限公司(Metrology Software Products limited)提供，该装置包括可重复单向指示器。该指示器被安装到机床的主轴中并且被定位在固定球体的XY中心的上方。使用机床的轻推控制来使主轴向下移动，直到Base-Master恰好与球体的顶端相接触，这样的接触由安装在Base-Master装置上的LED指示。然后，使用Base-Master的(已知)长度、当前Z-位置和球体半径来计算球体在z-轴上的中心。

如上所述，WO 2017/121990描述了一种校准装置，该校准装置允许以自动化方式相对于机床的参照位置确立校准球体的中心。该装置包括校准制品(例如，校准球体)，该校准制品通过相对大的弹簧力相对于其基座被偏置到已知且可重复的停置位置。当机床主轴中承载的经校准的长度棒(或其他参照工具)向校准球体施加足够大的力时，校准球体从该停置位置移开。校准装置内提供了模拟传感器，以测量偏离停置位置的偏转幅度。当长度棒被移动以偏转校准球体时，主轴(即，其固持长度棒)位置的测量与模拟传感器获取的校准球体的测量相结合。然后使用外推技术来准确地确定校准球体在其处于停置位置时的位置。在WO 2017/121990中更详细地描述该过程。

尽管WO 2017/121990的装置以完全自动化的方式提供高度准确的位置信息，但装置本身是复杂的并且制造成本可能很高。例如，校准制品采用的停置位置必须是高度可重复的，并且模拟测量传感器必须提供准确的位置测量。还需要单独的计算机将来自机床和校准装置的数据进行组合，以确立校准制品的停置位置。这使得该设备相对昂贵且设置和操作复杂。

本发明源于本发明人认识到，无需仅在校准制品(例如，校准球体)已在机床内的预定位置固定就位之后测量校准制品的位置。而是，校准球体可以被移动到任意(但已知)的位置；例如通过参照工具(例如，经校准的长度棒)而沿z轴被移动。只要校准球体在与经校准的长度棒脱离接合(即，当该长度棒缩回时)之前被锁定就位(例如，相对于安装校准球体的机床的床固定不动)，校准球体就可以提供在机床坐标系中的已知参照位置。这不需要感测长度棒与校准球体之间的接触或测量校准球体偏转的量。因此，提供了成本较低且复杂性较低的装置。现在将描述本发明的装置以及该装置如何可以用于校准目的。

图3a和图3b示出了本发明的校准装置的第一实施例，该校准装置包括磁性基座30、偏转机构32和校准球体34。

磁性基座30是日本米思米集团(Misumi Group)生产的市售磁性基座，该基座允许以大约800N的固持力附接到金属机床的床。通过将旋钮36从“关闭”位置旋转到“开启”位置，磁性基座30可以牢固地但可释放地固定到机床的床。如下所述，可以使用磁性基座的其他设计或不同类型的附接机构(例如，螺栓、螺钉等)来将装置牢固地固定到机床。

偏转机构32包括：壳体38，该壳体固定到磁性基座30顶部；和可移动轴40，校准球体34间接地附接至该可移动轴。校准球体34附接到另一个轴42，该另一个轴继而通过四十五度楔形元件44附接到可移动轴40。这种布置允许从不同方向测量校准球体，从而允许将校准装置安装到水平、竖直或倾斜的表面。可以以各种不同的方式将校准球体34附接到可移动轴40。在此示例中，可移动轴40可以沿箭头41指示的方向(即，平行于可移动轴40的纵向轴线)来回平移。

校准装置进一步包括容纳在壳体38内的锁；下文将参考图4来更详细地描述此锁的结构和操作。操作者可以通过移动杠杆46手动启动该锁，该锁将可移动轴40相对于壳体38的位置锁定。因此，当处于锁定状态时，该锁使可移动轴40相对于壳体38固定不动。锁定状态在图3b中示出。然而，当锁处于解锁状态时，可移动轴40仍然可以来回(即，沿着指示的方向41)平移。解锁状态在图3a中示出。如下所述，在壳体内还设置有弹簧(未示出)以在处于解锁状态时将可移动轴40背离壳体38偏置(即，当装置处于图3a中所示取向时，轴被弹簧向上偏置)。

因此，校准装置可以采用：锁定状态(即，锁定构型)，在该锁定状态，校准球体相对于磁性基座30具有固定位置；和解锁状态(即，解锁构型)，在该解锁状态，校准制品不能相对于壳体移动(即，是固定不动的)。重要的是要注意，当可移动轴已经相对于壳体被移动到任何位置时(即，在解锁状态下可以进行这种移动)，该锁可以启动(即，锁定)。如下所解释，这允许校准球体被移动到某个位置，然后锁定在该位置以进行后续测量。当装置被锁定时，阻止了校准球体相对于基座的运动。

图4示出了图3a和图3b中所示的校准装置的内部偏转机构和锁的进一步细节。因此，相同的特征被指配了相同的附图标记。

如上所解释，校准装置包括可移动轴40；该可移动轴在图4中被示出为结合到壳体32中并且示出为单独的物品。可移动轴40通常是圆柱形，但包括沿其长度的中心部分延伸的v形凹部60。可移动轴40的第一端62包括螺纹孔，固持校准球体34的楔形元件44附接到该螺纹孔。可移动轴40的第二端64包括加宽部分，该加宽部分具有用于接纳螺旋弹簧66的孔口。当组装在装置内时，可移动轴40的第二端64接合螺旋弹簧66，从而向上(即，当处于图4所示的取向时向上)偏置可移动轴40。

该锁由包括球70的锁定机构提供，该球与固位在壳体内的槽内的可滑动插入件72的第一端接合。特别地，球70被固位在插入件72内的多个盘簧74压成与可移动轴40的v形凹部60接触。可滑动插入件72的第二端与凸轮轴76接合。凸轮轴76通常是长形圆柱体，但具有用于接合可滑动插入件72的第二端的(即，直径减小的)平坦区域78。在凸轮轴76中还设置有螺纹孔80，以允许径向突出的锁定杠杆46附接到其上。图4示出了安装在装置内并作为单独部件的凸轮轴76。

杠杆46(例如，在上面的图3a和图3b中所示的位置之间)的运动使凸轮轴76旋转，从而使可滑动插入件相对于可移动轴40径向移动。因此，杠杆46的运动使凸轮轴76旋转，从而增大或减小通过球70施加到可移动轴40的固持力。该布置被配置成使得杠杆46可以在锁定状态与解锁状态之间移动。在解锁状态下，球70仅以较小的力被推入可移动轴40中，从而允许可移动轴40在壳体的通道内来回平移。在解锁状态下并且在没有施加外力的情况下，可移动轴40被螺旋弹簧66(向上)推动，从而从壳体32完全伸出。需要说明的是，在解锁状态下，球70仍位于可移动轴40的v形凹部60内，从而限制了可移动轴的轴向运动范围(即，防止弹簧将可移动轴40推出壳体)。选择螺旋弹簧66的弹簧力以允许可移动轴40在与例如固持在机床主轴中的参照工具(例如，经校准的长度棒)接合时的轴向偏转。在锁定状态下，以足够的力逼迫球70与可移动轴40接合，以使该轴40相对于壳体32固定不动。因此，从解锁状态移动到锁定状态将校准球体锁定(使其固定不动)在其当前位置(例如，该位置可以是校准球体已通过施加外力而偏转到的位置)。

参考图5和图6，将描述上述校准装置的包括不同锁定机构的变体。

图5示出了校准装置，其与上述装置类似，包括磁性基座130，壳体132附接到该磁性基座。校准球体134也附接到可移动轴140。还提供了包括锁定环146的锁。当锁定环146被旋转至解锁状态时，可移动轴140可以相对于壳体132轴向移动。然而，当锁定环146被旋转至锁定构型时，可移动轴140(以及因此校准球体134)相对于磁性基座134固定不动。壳体132和锁定环146上的标记可以指示锁是锁定的还是解锁的。因此，图5的装置提供与以上参照图3a、图3b和图4描述的装置相同的功能，但包括实施该锁的不同机构。

参考图6，示出了参考图5描述的校准装置的锁定机构的进一步细节。与图3a、图3b和图4的布置相同，可移动轴140包括凹部，球170被插入件172压入该凹部。然而，插入件172被可旋转盘180逼向可移动轴140，该可旋转盘与形成在锁定环146中的内表面凹部182进行滚动接合。锁定环146的凹部182的半径变化，使得环的旋转引起可旋转盘180将插入件移向或移离可移动轴140，从而通过球170施加不同量的力。特别地，该布置被配置成提供：锁定状态，在该锁定状态，可移动轴140相对于壳体132固定不动；和解锁状态，在该解锁状态，可移动轴140可以来回移动。还提供弹簧(未示出)以在解锁状态时逼迫可移动轴140的远端背离壳体。

接下来参考图7a至图7c，将描述本发明的校准装置可以如何用于机床校准的示例。

图7a示意性地展示了具有基座202的校准装置200，该基座(例如，通过磁体或螺栓等)牢固地固定到机床的床204。校准装置200包括通过长形轴208附接到基座202的校准球体206。该装置包括锁定机构，该锁定机构可以置于：解锁状态，在该解锁状态，允许轴相对于基座202在z方向上移动；和锁定状态，在该锁定状态，校准球体206相对于基座202固定不动。在解锁状态中，长形轴208在正z方向上被偏置到所示停置位置。手动致动器210允许使用者根据需要将装置在锁定(L)状态与解锁(U)状态之间改变。

在图7a中，还展示了在负z方向上朝向校准球体206被移动时固持在机床的主轴(未示出)中的经校准的长度棒212。长度棒212端部的位置在机器坐标系中是准确已知的(即，因为根据定义，它相对于主轴的参照点具有已知长度)。

图7b示出了在经校准的长度棒212与校准球体206已接触之后的相同布置。通过(例如，使用起动轮)控制机床而手动执行进行接触的方法，以使长度棒212的端部与校准球体206接合。在长度棒212与校准球体206之间接合之后，继续短距离的相对运动，从而使校准球体206偏转(移动)到图7b中所示的偏转位置。在停止机器运动之后，使用者可以打开机床外罩并使用致动器210将校准装置手动切换到锁定状态。在z轴上校准球体(其具有已知半径)的中心的位置于是在机器坐标系中是已知的(即，因为经校准的长度棒的端部的相应位置是已知的)。

如图7c中所示，经校准的长度棒212可以从校准球体206撤回，但该球体206的位置不移动任何显著距离(即，因为校准装置现在被锁定)。然后可以将主轴探针218装载到机床探针的主轴中并以已知方式使用以准确地确立球体中心在x-y平面中的位置。校准装置然后提供校准球体，该校准球体在机床(x、y、z)坐标系内具有已知的高准确度的位置。球体中心于是可以充当机器基准点，所有的后续探针测量(例如，用于校准程序等)基于该机器基准点。

参照图8，展示了本发明的替代校准装置300。该装置包括可附接到机床的床的基座302。校准平台306(即，具有平坦表面的校准制品)通过可锁定的偏转机构附接到基座302。根据以上示例，经校准的长度棒312可以使校准平台306偏转，然后可以使用手动致动器310将校准平台306锁定就位。因此，校准平台306的位置在z轴上是已知的(即，它限定了z轴基准位置)。不可移动地附接到基座的附加校准球体320(注意这可以替代地固定到机床的其他位置)可以用于提供x轴和y轴上的参照位置。以这种方式，可以在坐标系中的三个维度上限定基准位置。

图8中所示的校准平台306可以由具有圆顶的而非平坦的接触表面的校准制品或盘代替。例如，校准盘可以具有曲率半径位于大(虚拟)球体上的最上表面。这减少了长度误差，如果在使经校准的长度棒312和校准盘接触时，它们存在任何角度错位(例如，如果任一者未与z轴对齐，如图8所示)，则可能出现长度误差。这种圆顶盘布置确保了，端部平坦的经校准的长度棒312将接触圆顶表面的最高部分，即使是存在轻微的角度错位亦如此。这种布置特别适用于测量端部平坦的工具。

上述实施例仅仅是本发明的示例。也可以使用替代的锁定机构、校准制品、壳体、基座等来实施本发明。上述多轴机床是多轴铣床，但该技术可以用于任何类型的机床(例如，车床、车铣复合机器等)。类似地，该装置可以用于除机床之外的坐标定位机器(例如，专用坐标测量机或机器人)，并实施广泛的测量和/或校准程序。

Claims (20)

1.一种用于坐标定位机器的校准装置，所述校准装置包括：

基座，

校准制品，以及

偏转机构，所述偏转机构将所述校准制品附接到所述基座并且允许所述校准制品通过施加外力而相对于所述基座被移动，

其特征在于，所述装置进一步包括可释放锁，所述可释放锁在被锁定时使所述校准制品相对于所述基座固定不动。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述偏转机构包括引导件，当所述可释放锁被解锁时，所述引导件引导所述校准制品沿线性轴线来回线性移动。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述校准制品位于所述线性轴线上。

4.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述偏转机构包括偏置件，所述偏置件用于将所述校准制品朝向停置位置偏置。

5.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述可释放锁包括手动启动的锁定构件。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述手动启动的锁定构件包括锁定杠杆或扭锁构件。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述锁包括可远程启动的锁。

8.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述校准制品包括校准球体。

9.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述偏转机构包括将所述校准制品附接到所述基座的长形杆。

10.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述基座包括磁性附接装置，所述磁性附接装置用于将所述基座可释放地固定到坐标定位机器的金属表面。

11.根据任一前述权利要求所述的装置，所述装置被配置用于附接到坐标定位机器，所述坐标定位机器包括机床。

12.一种机床，所述机床包括根据任一前述权利要求所述的校准装置。

13.一种校准坐标定位机器的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)将经校准的工具和校准制品安装在所述坐标定位机器上，

(ii)使用所述坐标定位机器使所述经校准的工具移动成与所述校准制品接合，使得所述校准制品从初始位置移动到偏转位置，以及

(iii)将所述校准制品锁定在所述偏转位置，使得所述校准制品在与所述经校准的工具脱离接合后维持在所述偏转位置。

14.根据权利要求13所述的方法，包括步骤(iv)：使用所述坐标定位机器移动测量探针以测量所述校准制品的表面上的多个点的位置。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述校准制品包括球体，并且所述球体的中心位置用于在所述坐标定位机器的局部坐标系中限定参照位置。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，根据权利要求1至12中任一项所述的校准装置提供所述校准制品，并且步骤(iii)包括锁定所述装置的可释放锁。

17.一种用于坐标定位机器的校准装置，所述校准装置包括：

基座，

校准制品，以及

可锁定机构，所述可锁定机构将所述校准制品附接到所述基座，

其中，所述可锁定机构能够采用：解锁状态，在所述解锁状态，所述校准制品通过施加外力相对于所述基座是可移动的；和锁定状态，在所述锁定状态，所述校准制品的位置相对于所述基座被锁定。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，当处于所述解锁状态时，所述校准制品朝向停置位置偏置。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述校准制品是具有已知半径的校准球体。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述可锁定机构包括用于在所述锁定状态与所述解锁状态之间改变的手动致动构件。

Images