CN1856691A - 在机床上使用的测量方法 - Google Patents

Abstract

在机床上，程序(12)由扫描或模拟探头P接收数据，以测量工件W的特征。该数据在扫描过程中与假定机器位置数据相结合。这样就可避免切断伺服反馈回路(24)来获得实际测量的机器位置数据。假定机器位置数据可从控制扫描动作的零件程序(20)中获取。这里叙述了用于补偿在假定机器位置值与实际值之间误差的几种方法。

Description

在机床上使用的测量方法

技术领域

本发明涉及用机床对工件进行测量，特别是扫描测量。

背景技术

公知的是，为了测量工件，要在与所述工件有相对运动的机床轴上装配测量探头。实践中，所述探头典型地是一个接触式触发探头，譬如美国专利No.4,153,998(McMurty)所描述，当探头触针接触工件表面时上述探头会产生一个触发信号。这个触发信号会被所谓“跳跃式”地输入到机床的数控器。作为回馈，所述控制器对所述机床位置进行瞬时读取(即所述轴和所述探头相对所述机器的位置)。这是通过所述机器的测量装置譬如用于所述机器运动伺服控制回路提供位置反馈信息的编码器或解码器做到的。

在坐标测量仪(CMM)领域，公知的是，采用以上所述的接触式触发探头，或者采用模拟或扫描探头来测量工件。已知一种模拟或触发探头带有一个用来接触所述工件表面的触针及所述探头内用来测量所述触针相对所述探头本体偏斜的传感器。在美国专利No.4,084,323(McMurty)中有个范例。这与使用触发探头便于执行测量相比，能够对工件表面的形状进行更详细的测量。所述探头相对所述工件表面运动，以使所述触针能扫描所述表面。从所述探头传感器的输出、所述编码器和其它所述机器测量装置的输出获取连续读数。通过以叠加的方式合并所述瞬时探头输出和所述瞬时机器输出，在大量点处通过扫描动作获得了关于工件表面的位置的数字化坐标。

迄今为止，用刚才描述的用于坐标测量仪的方式在机床上有效地采用模拟或扫描探头是困难或不可能的。原因之一在于可市购的机床控制器的局限性。要注意，上述在坐标扫描仪上的扫描方法需要能在高数据速率的情况下持续获取通过所述机器编码器或其它测量装置得到的所述位置数据，以使其能添加至所述扫描中每个数据点的所述探头输出。常规机床控制器对此无能为力。它们的“跳跃式”输入在所要求的高数据速率的情况下不能工作。因而，要用合理的速度进行扫描，需要对所述控制器进行修改，譬如使其能够在所述伺服反馈回路中从所述机器编码器或其它测量装置的输出直接取样数据。本申请人Reinshaw已经用商标RENSCAN出售了能够实现这样功能的系统。然而，这样的修改对不同的所述控制器是不同的，这是不容易做到甚至是不可能的。

发明内容

本发明的一个方面就是提供了一种在机床上测量工件的方法，包含以下步骤：

在模拟或扫描探头和所述工件之间沿着包含所述探头相对所述工件标称位置的预定路径产生相对运动；

在所述运动过程中，使用所述探头输出对所述工件表面相对所述探头的位置进行测量；以及

合并所述从所述探头输出得到的位置测量和基于所述预定路径的数据。

总的测量数据因此就是来自所述预定路径的数据与所述探头测量输出的数据的合并。通过采用来自所述预定路径的数据，就不需要从涉及所述探头实际位置的所述机器伺服反馈回路获取瞬时数据。

在优选实施例中，所述基于所述预定路径的数据包含至少一个目标或标称探头输出读数。假定在所述预定路径中所述探头的标称位置准确地反映了它的实际位置，那么所述工件误差就是所述目标或标称探头输出读数与所述实际探头输出读数之间的差值。

所述方法可以包含一个补偿在所述预定路径中的标称位置和所述探头相对于所述工件的实际位置之间差值的步骤。

附图说明

现在举例描述该发明的实施例，参考附图，其中：

图1以图表方式显示了一个机床，

图2和图3分别是等角视图和平面图，其显示触针末梢扫描工件，

图4是一个所述扫描中探头测量的统计曲线图，

图5是一个是显示所述探头测量与假定机器位置数据相结合的曲线图，

图6显示了一个正在被扫描的校准样品，

图7和图8是解释校准方法的曲线图，

图9是图3的一个相对应视图，但显示了所述参考点的测量，

图10和图11是图4和图5的一个相对应曲线图，但使用了图9的所述参考点测量，

图12是图4的一个相对应曲线图，但显示了一个沿直线测量的实施例，

图13和图14图解描绘了在对图7和图8中所述校准方法进行进一步研究中所用的数学计算，

图15图解描绘了另一种补偿方法。

具体实施方式

图1显示一个典型机床，其包含一个工作台T和一根轴S，它们均能在电机M驱动下沿x、y、z方向彼此相对运动。这个例子显示，所述电机M驱动所述工作台，而所述轴保持固定不动。然而，该发明同样适用于其它的机床布置形式，比如所述相对运动是在固定不动的所述机器工作台或底座与移动的轴之间产生的。

通常，切削工具会装在所述轴S上，但图1却显示了模拟或扫描探头P装在所述轴上，这是为了对装在所述工作台T上的工件W执行扫描测量。所述探头P有一个用来接触所述工件W表面的可偏斜触针Q，且所述探头P的传感器(未图示)在x、y、z三个方向测量所述触针Q的偏斜，譬如在美国专利No.4,084,323所描述(将其作为参考并入在此处)。

所述探头传感器的所述输出可以是模拟的或数字的。也可以使用其它形式的模拟或扫描探头，包括那些通过非接触的方式测量所述工件表面相对所述探头的位置，所述非接触方式譬如使用光学、电容或电感传感器。

在扫描测量过程中，所述探头P连续把所述数据从它的传感器传送到接收器RX中。所述信号传输优选无线，例如光学或无线电方式，但也可用有线(hard-wired)传输方式替代。

所述探头P被控制沿相对所述工件W的路径移动以扫描其表面。这是在运行于控制器10中的所述工件W的零件程序20的控制下完成的。所述零件程序在线路22上发出信号需求给伺服反馈回路24。所述伺服反馈回路24驱动所述电机M使所述机器沿所述所需路径运动。

如果运行所述零件程序20的所述控制器10是常规的标准机床数控，则所述伺服反馈回路24亦是所述控制器10的组成部分。可选地，所述控制器10可以是一台独立的计算机，在所述标准数控中输送所述所需路径数据给所述伺服反馈回路。它可以构成所述探头与所述机器标准控制之间接口的一部分。

按常规，所述伺服回路24从所述机器测量系统收到位置反馈信息，如编码器或解码器(未图示)。所述伺服回路24驱动电机以试图使如由所述机器测量系统所指示的所述实际路径与所述零件程序20的所需机器路径保持一致。

图2和图3更详细地显示了所述触针Q扫描所述工件W的表面。作为一个简单的例子，它显示正在扫描一个所述圆孔30内表面，目的是测定其偏心度。这个例子中，所述零件程序20发出指令使所述探头和工件沿预定的圆形机器路径32相对移动。这个机器路径具有预定半径，该预定半径要比所述圆孔30的半径稍小一点，这样选择是为了容纳所述触针末梢的半径。这样选择也是为了确保即使所述圆孔30的表面与完全圆形存在任何可能的偏差，所述触针末梢仍能接触到其表面并在所述探头的测量范围之内(即所述探头内传感器测量时所述触针所允许的偏斜)。

图4显示了所述触针Q相对所述探头P的可能偏斜，由所述探头内传感器测得，并对应围绕所述孔30的时间或角度位置形成曲线图。具体地，所述曲线图代表径向偏斜，在当前例子中该径向偏斜可以通过所述探头的x轴和y轴输出计算出来。线条34代表在所述孔具有准确的尺寸和圆形形状的情况下所期望的所述探头标称输出。线条36代表所述孔过小时的所述探头输出。线条38代表所述孔尺寸超过时的所述探头输出。正弦曲线40代表所述孔从它的标称位置偏离中心情况。当然，其它与所述标称线条34的偏差也是可能的，例如如果所述孔30的表面偏离所述预定圆形时发生的不规则偏差。

再回来参考图1，所述控制器10除了运行所述零件程序20之外还运行测量程序12。该测量程序12负责在沿着图4中时间/角度位置轴的位置处以合适的高数据速率获取大量的数据读数。为此，它合并了两个数据源。一个是从所述接收器RX收到的所述探头P输出，另一个是所述假定或所需的瞬时机器位置(即所述轴S与所述探头P相对所述工作台T的所述位置)。后者来自于所述零件程序20设定的所述预定路径，如箭头14所示。这与现有技术形成对比，在现有技术中，其来自于所述机器伺服反馈回路的所述编码器或解码器或其它位置测量装置。

以下是一种合并这些数据源的方法。对于沿所述机器路径的大量数据点中的每个数据点，所述相应的探头输出和假定的机器位置以相加的方式合并起来，如图5所绘。这里，线条42代表所述预设的机器路径32的半径，其来自于所述零件程序20中的所述测量程序12。对于每个数据点(即在每个时刻或角度位置)，这这增加了所述探头的输出，如图4所示。结果用图5的线条44显示。在用于控制圆形路径里的运动的零件程序20里，常规G代码(G-code)可以简单使用所述预设机器路径的半径。

另一个优选的合并所述数据源的方法如下。所述程序12包括一个探头偏斜的目标或标称值。譬如，可以选择所述预定的机器路径以用来产生一个标称或目标探头偏斜(径向)D_目标。这是在所述工件符合它的标称尺寸与位置的情况下可见的偏斜值。所述D_目标值可以基于预定路径预先编程到所述程序12中，或者可以利用与预定路径有关的零件程序20收到的值由程序12计算所述D_目标值。测量进行的同时，程序12也经过接收器RX收到实际探头偏斜值D_实际。它通过将这两个数据源以相减的方式合并来比较这两个数据源，以给出在任意位置处的实际变化误差：

误差＝D_实际-D_目标

譬如，如果目标偏斜是100微米，实际偏斜是101微米，那么该工件尺寸的误差就是1微米。

至此，在所述孔30周围的每个单个位置处都考虑了误差。这可能是所期望的，譬如确定误差形式。然而，所述程序12执行数据拟合算法以整体考虑所述误差也是有可能的。譬如，在发现正弦误差的地方，如图4中40所示，这样一个算法可以确定所述孔的真正中心点以及它距离标称中心点的偏差。并且/或者，这样的算法可以确定所述孔的平均半径和与这个值的偏差。

当然，所描述的该方法不局限于图2-5所示的圆形形状，还能够应用于确定许多其它加工特征的形状。

譬如，图12描绘了沿着标称平面工件表面检查一条直线的情况。这里，线条60代表当所述探头沿该直线由零件程序驱动时探头偏差的预定的标称或目标值。所述程序12从所述探头收到的实际值经过一个最佳拟合算法，以确定最佳直线拟合，所述线条62代表该最佳直线拟合。这就使所述程序12计算所述线条62相对标称线条60的斜率和偏移变得简单，并且相应地体现出了所测得的所述工件表面位置及方向误差。

为了确定所测得的是何种特征，可以对所述数据应用一种智能拟合算法，然后选择并执行合适的方法来计算其误差。

已描述的方法给出了相当精确的结果。譬如，如果所述孔30事先是用一个装在所述轴S里的切削工具、按照所述控制器10中的一个切削零件程序加工的，该工具可能会承受切削过程中所施加的负荷产生的偏斜。这可以导致所述孔具有不正确的尺寸和形状。由于所述探头P不承受这样的切削负荷，所以它能够测量这样的误差。既然它执行一个扫描操作，它就能在整个圆周上测量与正确形状的偏差，同时能测量简单尺寸，例如所述孔的直径或半径及中心点。这是相对于常规接触式触发探头来说的一个优势。

与给出详细测量一样，所述方法也能够用于加工工件的校正，即所述程序能输出一个通过/未通过的指示，来表明工件是否在期望的规定公差之内。

这种测量也能用于过程控制，例如在最终切削之前修正加工偏移(工具偏移)。这使最终切削能对所关注的工件特征精确地给出需要的尺寸。同样，所述测量能够用于修正后期加工的工件偏移量，如发现所测得的所述特征位置与其标称位置不同。

图3-5的所述方法也能够用于任务设置，即设置一个具有已事先在其它机器上加工出的特征的工件。为了定位这些存在的特征，在一台新机器上执行这个方法。新机器譬如可以是一台座标镗床，该座标镗床用于在所述工件上镗孔，所述孔相对于已有特征精确定位。还有，由于所述特征形状能被扫描，并且一个最佳拟合算法能够拟合它们至标称形状，这就能提供比常规接触式触发探头更精确的数据。

然而，已描述的方法还是有一些不精确之处，譬如因为所述伺服回路24的伺服失谐。伺服失谐来自实际位置和需求位置的差异。譬如，在所述x-y平面沿一个圆形路径运动时，在正弦路径上的x轴和y轴伺服机构分别驱动其相应马达M，所述正弦路径之间可以存在标称90度的相位误差差异。由于不同的轴响应特性，所述x轴伺服机构的实际位置可以比所述y轴伺服机构更快或更慢赶上所需位置。如果所述指令路径与所述机器的轴有交角的话也会产生失谐，但如果所述路径与所述轴之一平行的话则问题不大。也存在其它的伺服出错原因，如机器的编码器或解码器或其它测量系统的偏移或刻度误差。

因而，可能的情况是，在任何给定的瞬时，所述机器的实际位置(即所述轴S和所述探头P相对所述工作台T的实际位置)不会正好在所述线条22上与所述零件程序20需求位置相吻合。因此在所述线条14提供给所述测量程序12的假定位置值与实际位置之间会存在差异。

因此，为更精确起见，参考图6、7和8将描述一个可选的校准过程。所述校准使用一个已知尺寸和形状的样品，其应该优选地(但不是必需地)与所述要测量的工件和特征相当接近。譬如，在图2和3测量所述圆孔30的情况下，所述样品可以是已经精确知道半径和形状的环形量具的内表面46(图6)。这是通过控制机器沿圆形路径48移动的零件程序20扫描，所述圆形路径48对应于图3中的路径32。

图7中，线条50表示所述样品的精确已知的形状和半径。线条52表示使用上述任意方法使用测量程序12得到的测量值。这两根线条之间的偏差表示当它是沿所述控制的机器路径移动时，所述假定机器位置值和所述实际位置值之间的瞬时误差。

把所述线条50和52上相应点的值相减，得到的值位于曲线54上，如图8所示。这表明，为了校正所述假定机器位置和所述实际机器位置之间的差异，沿所述机器路径的任何位置(用圆弧测量中的时间和角度来衡量)都需要校正半径。这些半径校正值储存在控制器10内。在对生产工件W进行测量时，为获得精确的测量，所述测量程序12把这些校正值同所述假定机器位置值与从所述探头P获得的测量数据合并起来。

如果所述样品46与所述工件特征尺寸不同(如前者是一个半径不同的圆周)以及/或如果所述样品和工件是在不同的线速度或角速度下进行扫描的，那么这可以用数学计算得以补偿。这在图13中示出。

假定扫描为等速扫描，对于相同的距离，随着所述动作的发生，相对于曲率改变随着时间变大的、半径为R2的圆周，半径为R1的圆周曲率改变较小。换句话说，角α1小于角α2。这导致譬如伺服失谐，该伺服失谐致使圆周R2的差异大于圆周R1，即该差值越大导致误差越大，使伺服失谐导致的椭圆形最大半径不同于标称值。

可以通过测量所述标称圆周与从所述R1圆周得到的椭圆之间的差异来补偿这种差值，然后对所述R2圆周进行同样处理。

然后如果所述测量过的孔半径在R1和R2之间，能够使用插值法的方式来进行补偿。譬如，当R1大于R2：

        CR1→err1

        CR2→err2

这里    CR1是一个半径为R1的圆周

        CR2是一个半径为R2的圆周

且如上所论，err1被认为比err2要小；

假定是线性插值，其在接近的尺寸间是一种可接受的假定，那么参考图14：

$\tan \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{err}-\mathrm{err}1}{R1-R}=\frac{\mathrm{err}2-\mathrm{err}1}{R1-R2}$

因而

$\mathrm{err}=\frac{(\mathrm{err}2-\mathrm{err}1)*(R1-R)}{(R1-R2)}+\mathrm{err}1$

这就是通过插值法计算出来的误差(实际和标称间的差异)。

以上讨论在对于用相同尺寸的样品在不同的速度下进行的测量也是有效的，即所述样品在不同但接近的速度下(对线性插值而言)且所述误差被记录(与标称的偏差)。那么插值算法应该用于计算在所述两个不同速度之间的一个速度导致的误差。这个算法与上面那个是相似的。

现在描述提高测量精确度的另一种方法，参考图9、10和11。这是通过修改上面方法而来的，因为它使用了所述待测工件W表面的参考点。实践中，这将是待扫描路径上的所述孔30里的点。

图9选择了四个参考点R。在每个参考点上，所述机器被驱动，以使所述触针末梢Q径向接近所述参考点R，如箭头56所示。所述探头P可被用于接触式触发模式，其中阈值被限定在所述探头测量范围之内，在所述探头上产生触发信号。然后，采用与常规接触式触发探头一样的方式，该触发信号被传送到所述机器控制器的常规跳跃式输入。该操作的结果是，控制器为每个参考点R产生坐标值。因而，所述参考点R是机器位置真实值，而非假定的机器位置值。

作为采用所述跳跃式输入来获取触发值的优选的另一方式，所述机器能被驱动至所述参考点，再停止，然后所述探头输出能被判断并叠加到所述机器的位置，以得到所述值R。该值的精确性能够通过静止平均值提高，即在所述停止位置暂停一段时间，获取所述探头输出的多个读数，并对它们取平均值。这样能够获得精确测量，因为所述机器是静止不动的，所以就没有伺服误差。

图10和11对应图4和5，并显示了参考点是如何用于计算所述测量结果的。图10中，线条58表示使用如前的假定位置值而从扫描得到的所述探头测量值。这些值以和图4所示同样的方式偏移了所述标称值34。图11显示了所述参考点R的四个值。为了产生最终测量值，所述测量程序12使用最佳拟合算法，把图10中线条58的值添加到这些参考点R上。因此，调整使用假定位置确定的值，以与这些已知值R相一致。

既然已知所述值R为真实值，那么图11中所述线条58上的中间值要比其它情况的值要更精确。这个增强方法因此使用把扫描和参考点合并的方法，以提高扫描测量的整体精确度。

图15亦图解了提供补偿以提高精确度的另一种方法。曲线B显示了在正常的优选速度下扫描一个圆周的结果。它包括因间隙或其它伺服误差导致的变形。曲线A显示了在更低的速度下扫描所述同一圆周特征的结果，能看到变形被避免了。

因而，该发明的一个进一步实施例利用了这个事实。所述圆周被慢速和快速扫描，记录产生的探头输出数据。继而形成该特征的误差对应关系，该对应关系包含所述特征周围每个位置的误差校正值。使用减法(B-A)可以做到这些。对每个位置而言，用常速扫描期间的所述探头输出B减去慢速扫描期间的相应的所述探头输出A。

该误差对应关系可通过以下方式生成，即扫描生产标称相同的工件的流水线中的第一个(first-off)工件，或者一件具有期望尺寸和形状的样品，或者如果图13和14的补偿方法被应用的话所述样品甚至可以有不同的尺寸。该误差对应关系继而被所述程序12储存，以便当测量后续工件的相似特征时可以用到。

此类后续测量按照如上所描述的方法执行，譬如图3至5相关的方法。如前所述，这可以确定特征尺寸(通过对比所述实际探头输出和所述零件程序20中的假定值)。可选地，它可以通过对比所述实际探头输出和所述目标探头输出(D_实际-D_目标)来确定特征中的误差。

任一情况下，所述测量都可以按照所述误差对应关系采用校正法得到补偿，即在每个位置的相应测量值减去储存的误差值。

对于其它实施例，图9-11和15的方法不仅适合于圆形特征，也能用于确定许多其它加工特征的形状。

Claims (11)

1.一种在机床上测量工件的方法，包括以下步骤：

在模拟或扫描探头及所述工件间、沿包括所述探头相对所述工件的标称位置的预定路径产生相对运动；

在所述运动中，使用所述探头的输出对所述工件表面相对所述探头的位置进行测量；以及

将从所述探头的输出得到的位置测量值与基于所述预定路径的数据合并。

2.一种根据权利要求1的方法，其中所述合并步骤的结果给出所述工件的尺寸。

3.一种根据权利要求1的方法，其中所述基于预定路径的数据至少包括一个目标或标称探头输出读数。

4.一种根据权利要求1或3的方法，其中所述合并步骤的结果给出所述工件的尺寸的误差值。

5.一种根据前述任何一项权利要求的方法，包括一个补偿预定路径中的标称位置与所述探头相对于所述工件的实际位置之间差异的步骤。

6.一种根据权利要求5的方法，其中的补偿步骤使用来自已知尺寸和形状的样品的数据。

7.一种根据权利要求6的方法，其中的样品与被测工件的特征有近似的尺寸。

8.一种根据权利要求6的方法，其中所述样品与被测工件的特征有不相似的尺寸，或是在不相似的速度下进行测量，且所述补偿包括用来校正这种尺寸或速度差异的插值。

9.一种根据权利要求5的方法，其中所述补偿步骤使用从所述工件表面测得的参考点的数据。

10.一种根据权利要求5的方法，其中所述补偿步骤使用通过比较慢速和快速扫描工件表面确定的误差对应关系。

11.一种用于机床的控制器或探头接口，其被编程以执行根据前述任何一项权利要求的方法。

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