TWI772717B - 定位機、用於機械校正定位機之軸導引部件的安裝表面之裝置、和用於定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明有關用於定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，所述定位機具有至少二機架部件和用於所述機架部件之相對運動的至少一軸運動組件，所述至少一軸運動組件包含複數軸導引部件，每一軸導引部件和每一機架部件具有安裝表面。針對所考慮之軸判定安裝表面校正輪廓，而所述安裝表面校正輪廓敘述針對所考慮的軸之機械校正的位置功能中之校正量。藉由機械加工將所判定的安裝表面校正輪廓賦予至軸導引部件之安裝表面或所考慮的軸之機架部件的安裝表面。

Description

定位機、用於機械校正定位機之軸導引部件的安裝表面之裝置、和用於定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法
本發明有關機械校正方法，以改善例如工具機、測量機、操縱器、和機械人的定位機之軸運動的幾何精度。
工具機、坐標測量機等係高精度定位機，其結構環圈之建立係藉由基座及連接工件和工具側的多數個線性及/或旋轉式軸線所構成。結構環圈定義為在指定物件之間維持相對位置的機械部件之組件。於工具機中，結構環圈包括機架、導向路、軸承、驅動器、傳動裝置、及 工具和工件固持夾具。機架包括機床、立柱、工作台、控制台、橫樑等。
在關於精度和速度的附加要求之下，這些部件的主要任務是在工具中心點(TCP)提供工件側及工具側之間的相對運動，同時亦提供機械剛性，以最大程度地減少預期運動之偏差。
於工具機中，許多零件相互作用以達到最終精度、例如幾何運動誤差、熱機械誤差、載荷、動態力量和運動控制。以下文件參考了這方面：Schwenke H.,Knapp W.,Haitjema H.,Weckenmann A.,Schmitt R.,Delbressine F.,“機械的幾何誤差測量和補償-更新”，CIRP年鑑57(2)，第660-675頁。
在硬體方面，將解決幾何運動誤差和載荷，以提高機械之靜態或準靜態精度。
幾何運動誤差是由於機械部件的幾何形狀和尺寸不完善以及其在機械結構環圈中之組構的誤差、軸未對準、及機械測量系統中之誤差。為了敘述ISO 230-1中的幾何誤差，區別誤差運動之間與位置和定向誤差，並顯示對應的測量程序。為了測試於TCP處產生之位移，ISO 230-2著重於數控軸之定位的精度和可重複性。除此以外，ISO 230-11意指適用於工具機幾何形狀測試之測量儀器。在ISO 10791-1和ISO 10791-2測試中定義互補，而於ISO 10791-4中定義ISO 230-2中給出的定位測試之公差。
由於機械部件的剛性有限，其位置和尺寸會 因內外力量而變化。在某些案例中，例如機械之工件或移動滑架的重量和位置會嚴重影響機械之精度。例如，如果直線導向路由於移動滑動件的重量而彎曲，則滑動件將顯示垂直直度偏差和俯仰誤差運動。
由於機械部件中影響TCP精度之大量幾何偏差無法通過合理的努力藉由專門製造方法來減少之事實，因此補償工具機(MT)和坐標測量機(CMM)中的系統誤差之歷史由來已久。
根本上有不同的方式可補償機械中之誤差；例如，可藉由例如刮擦導引件的純粹硬體技術、或藉由修改指示滑架橫向位置之數字的軟體技術來補償滑架導引件之直度誤差。
基於測量的軟體補償受到包括測量之不確定性和機械系統的可重複性之許多態樣所限制。誤差的變化率分別界定測量和校正點之密度。50mm的點間隔導致針對1m3之工作體積產生27,000個體積式3D誤差補償值。要求數值控制(NC)在運動期間於線上生成校正設定點的能力。對具有明顯滯後之機械施加數值補償也可產生負面影響。例如，針對機械加工XY平面，Z軸將以小增量和改變方向連續地移動，以補償X軸和Y軸的垂直直度偏差，這可導致改善平面度。然而，此與Z軸之滯後結合的運動可損害表面光潔度品質。另外，為了校正旋轉誤差，將需要對應之旋轉式軸，這在三軸機械的案例中是不可用的。
於CMM上，只有接觸點之3D位置才感興 趣，並可在探測後離線判定，而於MT上，通常必須在整個移動中實時操縱5或6個自由度。
由於這些原因，在MT上應用主要螺距校正，校正導螺桿或直尺的誤差，這不需要額外的軸移動，且如此不容易產生滯後效應。
硬體校正技術在於修改結構機械部件之導向路安裝表面的幾何形狀，以消除或至少減少幾何缺陷之影響。迄今為止，至少部分自動化的硬體校正技術之應用受限於以可用方法、例如研磨製程製造意欲校正形狀的困難性。這些方法不能在表面上形成具有微米幅度之界定的起皺幾何形狀。因此，有時應用手工刮擦作為附加之迭代機械加工步驟，但是手工刮擦的缺點在於人事費用、製程之持續時間長、及對此工作的熟練人員之預設。
已進行多種嘗試來克服這些缺陷。已提出諸多自動化機械系統，旨在藉由自動化機械機構代替手動實現的刮擦工具移動，以增強平坦度，以獲得咬合表面。例如於JP5-123921A、JP7-1229A或JP8-187620A中顯示諸範例，一些範例包括用於識別待處理區域、亦即高點之影像辨識。除了製造平坦的咬合表面以外，還解決適於促進流體膜形成之特殊表面結構的生成。再者，已提出藉由使用雷射加工製程來代替傳統之手動或自動化機械刮擦方式的方法。例如，US6769962B2揭示一方法，其中藉著於高準確度刮擦製程中之雷射加工來對表面進行機械加工，以在表面中形成例如油槽或圖案的凹部。WO2014118366A1揭 示一方法，其中藉由雷射造紋加工將導引裝置之滑動表面微結構化，以增強摩擦行為。微結構化可包括形成微腔，這些微腔用作油囊。在本揭示內容中解決的滑動表面基本上是滑動接觸支承表面、亦即平坦導引件。
綜上所述，針對幾何運動誤差之機械校正和結構環圈的變形之機械校正，由於機械部件位移期間的重力，現今尚無可行的解決方案，亦即在高準確度定位機中未遭遇系統偏差之機械校正。高準確度定位機中的系統誤差之至少部分機械校正是非常想要的，但是由於成本和技術原因，已知方法具有嚴格之技術限制並且缺乏其工業適用性。
為了避免疑問，表面結構(例如形成油囊)和表面均勻性(例如消除高點)、亦即表面的平坦度只有些微興趣，因為在本發明方法中，所考慮的表面之間沒有運動，並藉由鄰近部件表面的接觸，機械式抑制粗糙度和中短波紋度。
本發明之目的是克服已知方法之缺點，並針對高精度機構的機械校正提供改進、快速、精確、有效、可靠、和經濟上可負擔之方法，例如提供軸運動的改善精度。考慮到這些偏差之位置依存性，並結合由於重力引起的變形計算，藉由測量有助於軸精度之幾何偏差(例如導向路的安裝表面)來建立校正。所測量和計算之偏差用於 判定安裝表面校正輪廓。此輪廓用作輸入值，以藉著雷射加工機械式修改軸的幾何形狀，以補償累積之偏差。
實質上，本發明揭示用於定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，所述定位機具有至少二機架部件和用於所述機架部件之相對運動的至少一軸運動組件，所述至少一軸運動組件包含複數軸導引部件，每一軸導引部件和每一機架部件具有安裝表面，其中針對所考慮之軸判定安裝表面校正輪廓，而所述安裝表面校正輪廓敘述針對所考慮的軸之機械校正的位置功能中之校正量，及其中藉由機械加工將所判定的安裝表面校正輪廓賦予至軸導引部件之安裝表面或所考慮的軸之機架部件的安裝表面。
藉由安裝表面校正輪廓所判定之材料量可藉由適當的機機械加工製程、例如雷射加工來精確和選擇性移除。安裝表面校正輪廓根據位置指定要從安裝表面移除之材料量。用這種方法，安裝表面校正輪廓快速、準確且永久地賦予至軸導引部件的安裝表面或機架部件之安裝表面，以便達成已組裝定位機的最佳軸運動精度。
本發明之另一目的係針對上述安裝表面校正輪廓之識別，所述識別輪廓係藉由將源自零件測量的偏差與源自機械模型之軸位置相關偏差進行組合而得出。
更明確地是，安裝表面校正輪廓首先從個別機架部件的安裝表面之測量的幾何誤差得出，所述幾何誤差係沿著所考慮軸之安裝表面的位置之功能來判定直度誤差，及/或其次由定位機的工具中心點(TCP)之計算偏差 來判定，並藉由機架部件沿著所考慮軸的相對位移、亦即平移及/或旋轉所判定。
因此，所述安裝表面校正輪廓可包括反映在各個機架部件之安裝表面測得的直度誤差之部分、及/或反映由於配重沿著軸的相對位移而導致組裝定位機之TCP的偏差之計算部分、及由於結構環圈的有限剛性而因此產生位置相關之變形，其中使用機械模型計算變形。
根據本發明的態樣，首先藉由測量來判定個別機架部件之安裝表面的幾何誤差，且接著考慮個別機架部件在測量組構中經歷之變形來校正所述測量。用這種方法，於個別機架部件的安裝表面所測量之偏差就不會由於特定的測量設定而產生偏差。
尤其是，首先藉由在測量組構中測量個別機架部件之安裝表面的直度或平面度來判定個別機架部件之安裝表面的幾何誤差，並針對所述測量組構計算由於在安裝表面之重力所引起的個別機架部件之靜態變形，且最後，經由從首次測量的幾何誤差減去測量組構中發生之計算變形來計算個別機架部件的安裝表面之調整後的幾何誤差。使用機架部件之模型計算測量組構中的靜態變形。
根據本發明之另一態樣，考慮機架部件相對於重力的定向、及考慮支撐點及/或固定點之位置和剛性來判定測量組構中發生的個別機架部件之計算出的靜態變形，較佳地係藉由數值模擬。
根據本發明之另一態樣，該定位機的TCP之 計算出的偏差轉置在機架部件之安裝表面，使得取消TCP的計算出之偏差。使用表示位置相依變形的機械模型、並與鏈接TCP偏差和安裝表面之幾何修改的數學優化方法組合來作成此轉置。
根據本發明之另一態樣，考慮到所考慮的軸之軸導引部件的幾何誤差，進一步得出安裝表面校正輪廓，所述軸導引部件係所考慮之軸的軸導向路之一或更多個，包括導軌及/或滑架、及中間部件、尤其是填隙箔片或填隙墊片。
藉由測量軸運動組件的軸導引部件之幾何偏差、個別尺寸變動(厚度或高度變動)，可將測得的偏差用作安裝表面校正輪廓的計算中之輸入值。相關的尺寸變動例如是導向路導軌之滾珠軌道沿著其延伸方向的高度變動。以此方式，以機械校正之觀點，不僅識別並考慮經機械加工的機架部件之幾何偏差，而且還考慮例如導向路的個別幾何偏差。
根據本發明之另一態樣，安裝表面校正輪廓計算為以下之總和：‧沿著所考慮的軸之機架部件的安裝表面之倒置調整的幾何誤差，及‧沿著所考慮之軸的安裝表面之一或更多軸導引部件的倒置幾何誤差，及‧藉由沿著所考慮之軸的機架部件之相對位移所判定的定位機之TCP的計算偏差，其轉置在所述機架 部件之安裝表面。
換句話說，使用軸導引部件和機架部件的安裝表面之實際幾何形狀的測量偏差、以及有關由於從機械模型得出之軸運動的結構部件之彈性變形的資訊，以生成安裝表面校正輪廓，用作支撐表面之機械校正的輸入。
根據本發明之另一態樣，經由在所考慮的軸之機架部件的安裝表面、或所考慮之軸的導向路之導軌的安裝表面之任一者，藉由根據所判定的安裝表面校正輪廓移除材料量賦予所考慮之軸的機械校正，所述安裝表面亦即中間部件(尤其是填隙箔片或填隙墊片)之導軌底部或側表面、或安裝表面。
根據本發明的態樣，所考慮之軸的機械校正係藉由機械加工、化學加工、熱加工、或增材製造之其中一者賦予至軸導引部件的安裝表面。
根據本發明之態樣，所考慮的軸之機械校正係藉由雷射加工而賦予至軸導引部件的安裝表面。
根據本發明的態樣，用於機架部件之相對運動的軸運動組件係線性軸運動組件或旋轉式軸運動組件。
根據本發明之態樣，定位機係工具機、坐標測量機、或操縱器。本發明可適用於任何定位機，其中二或更多零件的相對定位需要精確之軸運動、例如工具相對於工件的相對定位、探針相對於待測零件之相對定位、藉由外科手術機械人對外科手術器械的相對定位、夾持器或另一末端執行器相對於待組裝機械之相對定位等。定位機 的架構可為串聯、並聯、或混合運動學的。
根據本發明之另一態樣，定位機具有至少二機架部件和用於機架部件的相對運動之至少一軸運動組件，所述至少一軸運動組件包括複數個軸導引部件，每一軸導引部件和每一機架部件都具有安裝表面，其中定位機的特徵在於根據前述請求項之任一項中所說明的方法校正軸導引部件及/或機架部件之安裝表面的至少一者。
根據本發明之態樣，藉著專用設備來賦予安裝表面校正輪廓，所述專用設備尤其適於容納具有主延伸方向的軸導引部件、例如導向路導軌或填隙箔片，並達成其安裝表面之精確而有效的校正。此用於定位機之軸導引部件的安裝表面之機械校正的裝置包括用於軸導引部件之安裝台；一或更多參考元件，用於安裝台及/或固持機構及/或夾緊機構上的軸導引部件之精確定位，以將軸導引部件固定抵靠著安裝台；產生雷射光束的雷射單元，其軸基本上相對於安裝台正交，所述安裝台和雷射單元可在軸導引部件軸線之方向中相對於彼此；及控制單元，以控制雷射單元的雷射光束和安裝台相對於雷射單元之相對位置，以便將安裝表面校正輪廓賦予至軸導引部件的安裝表面。
TCP:工具中心點
1:工具
2:工件
3:工作台
4:工具夾具
10:基座
11:立柱
12:橫向滑軌
13:橫樑
14:在橫樑的安裝表面
15:通心軸
16:導向路滑架
17:導向路導軌
19:機械安裝件
20:X軸導向路
21:X軸滑架
22:X軸導軌
23:X軸填隙片
30:Y軸導向路
31:Y軸滑架
32:Y軸導軌
33:Y軸填隙片
40:Z軸導向路
41:Z軸滑架
42:Z軸導軌
43:Z軸填隙片
60:測量支持點
61:突出的直度偏差
62:凹陷的直度偏差
99:結構機架
100,200:藉由雷射加工進行機械校正的裝置
101,201:用於機械校正的裝置之基座
102,202:用於機械校正的裝置之立柱
110,210:用於機械校正的裝置之Z軸
111,211:雷射單元
112,212:雷射光束
121,122:參考銷
105:用於機械校正的裝置之工作台
220:用於機械校正的裝置之托輥
221,222:用於機械校正的裝置之摩擦餵入輥
225:用於機械校正的裝置之支撐輥
現在通過範例並參考附圖進一步敘述本發明及其某些實施例。這些圖面顯示以下者： [圖1]係三軸工具機；[圖2a,2b,2c,2d]係橫樑之安裝表面的幾何偏差之測量；[圖3a,3b,3c]係機架部件在不同軸位置的變形；[圖4]係於安裝表面之校正輪廓；[圖5]係在安裝表面的必要之材料移除，以補償幾何缺陷；[圖6]係於安裝表面的必要之材料移除，以補償機架部件的計算變形；[圖7]係在安裝表面的必要之材料移除，以補償所測量的填隙箔片厚度偏差；[圖8]係於安裝表面之必要的材料移除，以補償累積之靜態誤差的表示圖；[圖9a,9b]係滾動元件線性導向路；[圖10]係說明偏差成因和安裝表面校正輪廓之圖表；[圖11]係說明所述方法的執行過程；[圖12,13]係用於藉由雷射加工之機械校正的專用設備。
為了清楚起見，首先解釋本發明中所使用之許多術語。
根據本發明，“安裝表面”一詞用於界定安裝有軸導向路的機架部件之支撐表面、導向路的支撐表面、尤其是導軌之底部或側表面、及中間部件的表面。中間部件係安裝在導向路之導軌和機架部件的安裝表面之間的機械部件。此中間部件係填隙箔片。安裝表面之尺寸基本上對應於導向路導軌的底部表面。安裝表面與軸運動之直度有關。
根據本發明，導向路、中間部件(填隙片)和與導向路相鄰的機架部件之安裝表面界定為“軸導引部件”。軸導引部件彼此相鄰鎖扣，共同地判定軸運動精度。
根據本發明，“安裝表面校正輪廓”界定沿著安裝表面在每一位置要移除的材料量，並用作針對安裝表面之機械校正的輸入。校正輪廓指示根據位置沿著安裝表面移除之材料的深度。
根據本發明，“機械校正”一詞意指軸之安裝表面的其中一者之校正，機械校正包括在正交於軸方向的方向中移除(或添加)安裝表面上之材料。
根據本發明，“機械模型”是代表結構性機械部件的幾何形狀和變形特性之模型。機械模型用於在測量組構中計算機架部件的靜態變形。機械模型亦用於計算藉由組裝機械之機架部件的位移所判定之機架變形，因此在使用期間。
填隙法係對準技術，有時於工具機的組件中 使用，以改善幾何精度，在此僅藉由可用之加工設備不可能確保結構部件的所需公差。典型地，採用填隙程序以達成通心軸相對於基座之期望的運動正交性。例如，基座支承立柱，立柱支承通心軸。用於安裝線性導引件之滑架的立柱之安裝表面應與安裝在基座上的工作台正交。正交誤差藉由插入薄箔片、亦即在滑架及其立柱上的安裝表面之間填隙箔片所補償。這些箔通常是已知為填隙箔片填隙或填隙箔片、或簡為填隙片的鋼帶。
現在參考圖1敘述根據本發明之示範定位機的相關零件。其在特定案例中，所說明之定位機的結構機架99係三軸工具機，包括藉由3或更多機械安裝件19所支撐之基座10、立柱11、橫向滑軌12、橫樑13、和通心軸15。於這些機架部件之間有成對的線性導向路20、30、40。這些導向路係用於高準確度線性運動之輪廓導軌導引件(也稱為線性運動導引件)。如圖9a中所示，導向路主要由異型導軌17和滑架16(也為塊件)所組成，而在滑架內具有循環滾動元件。於機架部件和每一導軌之間有填隙箔片23、33、43。每一軸都有馬達(未示出)，典型是直接傳動的旋轉式馬達系統、帶滾珠螺桿之旋轉式馬達系統或線性馬達。每一軸還具有位置測量機構，通常是玻璃刻度尺(未示出)。再者，所說明的工具機具有安裝在機械基座10之固定式工作台3；和安裝於工作台3上的工件2。在特定案例中是工具1之末端執行器藉著工具夾具4安裝至通心軸15。
機架部件、立柱11、交叉滑動件12、橫樑13、和通心軸15具有用於導向路導軌和滑架的安裝表面。藉由銑削和磨削慣常地加工個別機架部件之這些安裝表面以獲得平直的安裝表面14，且接著進行測量以檢查在界定明確之測量組構中是否符合公差要求。圖2a至圖2d顯示識別橫樑13的安裝表面14之調整的幾何偏差之個別步驟。尤其是，圖2a顯示橫樑13的測量組構，其橫樑13之安裝表面14已鑑於導向路導軌的安裝來加工。為了更好之可及性，將橫樑13上下顛倒放置在三個支撐點60上。實線表示理想、未變形的機架部件，而虛線表示變形之放大表示，且於安裝表面具有對應的直度偏差。圖2b顯示在安裝表面14之幾何偏差的原始測量、例如直立直度。機架部件相對於重力之定向和固持夾具界定測量組構。使用CMM或帶有針盤指示器的設備來測量沿著安裝表面之直度。在安裝表面14的直立直度測量提供相對於平直邊緣正交之偏差。示範的安裝表面具有測量之直度偏差，所述安裝表面帶有突出區域61和凹陷區域62。
在給定的測量組構中判定之直度偏差的一部分是由於橫樑在其自身重量(重力)之下下垂而引起的。考慮到橫樑之剛性(藉由其設計所判定)、並考慮到特定的測量組構，使用橫樑和支撐點之機械模型(例如有限元素模型(FEM))來計算於圖2c定性描述的此部分。所計算之下垂考慮機架部件的上下顛倒定向與支撐點及/或固定點之位置和剛性。總之，在測量組構中測量個別機架部件的安裝 表面之直度，且接著藉由計算出的變形來調整測量，所述變形係藉由測量組構中之個別機架部件所經歷者。圖2d顯示於安裝表面的調整後之直度偏差，亦即，根據圖2b的幾何偏差之原始測量值減去根據圖2c所計算得到的下垂。應當注意，圖2a至2d之表示圖係在測量組構中描繪的，因此相對於組裝後之定位機的情況是相反的。
結構機架99係具有固定式工作台之開放式機架；此結構的主要固有缺點是在Y軸運動期間之橫樑13的偏轉。圖3a,b和c是橫樑和相鄰部件於不同軸位置之偏轉的定性表示。實線表示機架部件之理想形狀和位置，具有在預期位置所表示的TCP，而虛線係帶有移位之TCP'的部件變形之放大表示。已知結構環圈的變形，尤其是由於X軸和Y軸導向路的滑架之剛性有限，這些軸導向路取決於橫樑的軸向位置而受到不同之壓縮，且進一步受限於橫樑的剛性，所述橫樑之變形亦取決於導向路的滑架之位置，因此也取決於橫樑的軸向位置。作為變形的原因之一，主要有Y形滑動件本身的重量(橫樑13)、及Y形滑動件所承載之部件的重量，尤其是Z軸之重量(通心軸15)。固定不動的基座10和立柱11之變形很小。如圖3a,b,c中所示，機械部件的變形反映為TCP的偏轉或位置誤差，這主要是Z方向中之偏差。進一步的機械部件偏轉產生Z軸相對於X/Y平面之垂直度中的偏差。
為了考慮Y軸橫樑13之位置相關的變形，沿著軸行程計算在TCP之位移。圖4係計算後的校正輪廓之 定性說明，以校正於Y軸運動期間在橫樑13的Y導向路安裝表面所觀察到之變形。使用機械模型、尤其是有限元素模型(FEM)計算由於重力引起的位置相關變形、亦即結構環圈之部件的重量和部件之剛性。較佳地係，機械組件的所有結構部件包括有其特徵。為了逼近使用典型工具重量中之條件，例如可將最大工具重量的1/4添加至TCP之重量，以計算變形。用於FEM模型的邊界條件設定是在完全組裝之條件下，TCP執行水平運動。
如可看出，個別機架部件的模型及帶有所有機架部件和軸導引部件之整個機架的機械模型用於預測個別機架部件在其測量期間會發生之變形，並預測其組件於使用期間的變形。此知識作為標準零件生產和用於機械校正之輸入的導出之基礎。部件模型和機械模型包括結構性機械部件的幾何形狀和變形特性。
軸導引部件具有直度偏差，通常是可使用合適之測量設備來測量的直立和橫向直度偏差。導向路導軌之直度誤差可例如藉由以下方法觀察到：將導軌安裝在參考表面上，並測量滑架的高度變動同時沿著導軌運動滑架，或藉由將滑架安裝於固定式基座上並運動所述導軌及測量在軌道之高度變動，或藉由測量個別滾道沿著導軌的直立直度。位置相關之高度偏差使用伸縮規進行測量，或者從供應商提供的檢查協定得出。偏差主要是由於導軌之幾何誤差所引起，且在5-50μm範圍內，取決於精度等級。綜上所述，可識別並包括沿著導軌根據位置的高度變 動，以判定安裝表面校正輪廓。圖7是沿著安裝表面測量之導軌的高度偏差之示範定性說明，其中安裝表面的區域具有增加之厚度。
應當注意，導向路通常用作平行對(以確保必要的剛性)，且由於平均幾何和彈性效果，所得到之軸運動的直度比個別導向路導軌之直度更好。因此，較佳地係，將Y形滑動件處的接觸表面之平坦度測量為二導軌的直度之組合。
如圖1所示，可在機架部件之安裝表面和導向路的導軌之間插入例如填隙箔片23、33、43的中間部件。填隙片是可選部件，其可用於簡化定位機之幾何運動誤差的機械校正。填隙片具有二側面；根據本發明，二表面之每一者都是“安裝表面”，且因此可將安裝表面校正輪廓賦予至填隙片的側面之其中一者。填隙片應具有非常低的厚度變動，範圍為5μm。在此，根據位置之厚度變動也可藉由測量來揭露，且亦可作為誤差分量包括在內，以判定安裝表面校正輪廓。
所有偏差都是根據沿著安裝表面的位置收集。設定沿著每一相應安裝表面之與個別位置相關的偏差之原點，使得它們於組裝狀態下重合，以便允許偏差的總和及藉著安裝表面校正輪廓之累積偏差的校正。
圖5是在橫樑13之安裝表面調整的直度偏差之定性說明，亦即圖2d的倒置表示，其在測量期間顛倒定向。圖6是於橫樑13之安裝表面的計算校正輪廓之定性說 明，亦即圖4的倒置表示。圖7是線性導引件之導軌的高度變動之定性說明。
圖5至7係定性說明圖，表示必須在安裝表面移除的材料量以補償個別偏差。尤其是，圖5中之陰影線區域表示要在安裝表面移除的材料量，以補償幾何缺陷，精確地是圖2d之調整後的幾何誤差。圖5之校正輪廓旋轉180°，因為如圖2a所示，於橫樑13的安裝表面14之測量組構是上下顛倒的。再者，圖6中之陰影區域表示要於安裝表面移除的材料量，以補償在軸運動期間之機架部件的計算偏差，而圖7中之陰影區域表示要在安裝表面移除的材料量，以補償所測得之填隙箔片厚度偏差。最後，圖8是定性說明圖，表示必須於安裝表面移除的材料量，以補償匯總之偏差、亦即安裝表面校正輪廓。
圖10總結偏差部件安裝表面校正輪廓的判定和藉由雷射處理移除必要之校正量的NC程序之創建。
摘要而言，考慮每一偏差的校正符號，藉由加上所獲得之個別偏差，得出要賦予至軸導引部件之一的安裝表面之安裝表面校正輪廓。這意指將機架部件安裝表面的測量偏差之倒數值、用於補償由於軸運動引起的變形之計算出的校正輪廓、導軌導引件之高度變動的倒數值、及可選填隙片沿著安裝表面之厚度變動的倒數值相加，如圖8中所示。
所識別之安裝表面校正輪廓被翻譯成用於對安裝表面進行機械校正的加工程序、例如藉由雷射加工。 對安裝表面之一、例如在導向路導軌的底部表面進行機械校正。校正係藉由使用包括例如超短脈衝雷射器之雷射處理設備自動化進行的，所述脈衝雷射器允許於0.5μm或更小之有用深度範圍內有很小的材料移除增量，並具有很好之可重複性和精度。藉由使用雷射源而不是機械刮擦來從安裝表面選擇性移除材料，校正過程變得更精確、更快且通常更有效，而不會磨損部件且產生廢料的風險較低。以此方式，安裝表面之機械校正變得適用於批量生產精密機構。
雷射加工製程比其他加工方法更可取，尤其是因為其允許按照本發明方法的要求精確地選擇性移除材料，其中根據沿著安裝表面之位置移除一定的材料量。待移除之材料量係相當小，通常小於30μm的深度，致使相當低之移除速率並不重要。再者，這是一種不需要加工流體的非接觸製程，且藉由雷射加工所處理之安裝表面的周邊保持不受影響。
儘管如此，可使用替代之加工製程對安裝表面機械校正。加工製程可為機械加工製程或化學加工製程或熱加工製程或增材製造製程的其中一者。例如，CNC控制之噴丸處理或發散噴射加工係上述雷射加工的替代方法。
既然機架部件和軸導引部件之相關安裝表面係相鄰且鎖扣，因此安裝表面校正輪廓較佳地係僅賦予至部件的其中一者。安裝表面校正輪廓最佳地係賦予至導向 路軌導之底部表面，因為導軌的尺寸比機架部件之尺寸小得多。以此方式，可使用於校正量的雷射加工之設備更加緊湊，且這些部件的操縱也更加簡單。類似地，可將安裝表面校正輪廓賦予至中間部件、例如填隙箔片或填隙墊片。這些部件呈現與導軌相同之優點，且甚至更易於操縱。然而，也可能在機架部件將安裝表面校正輪廓賦予至安裝表面。
較佳地係，藉著雷射系統、例如用符號或文字標記軸導引部件的安裝表面之至少一側。以此方式，防止在後續組件中無意地使軸導引部件的安裝方向顛倒之風險。
最後，組裝定位機構，包括其安裝表面已校正的軸導引部件或機架部件。然後，藉由在TCP上執行測量來檢查組裝之定位機構，以證明定位機構滿足預期的運動精度。僅於例外之案例中，此程序才需要額外的迴圈。
現在參考圖11說明定位機之生產中的本發明方法之實施方式。創建表示機械結構部件的幾何形狀和變形特性之機械模型。'機械模型'用於推導個別機架部件的變形以及由於結構機架隨軸運動而在TCP引起之偏差，並判定於安裝表面所需的補償。個別機架部件均以'標準零件生產'進行加工，並以'零件測量'進行測量，其係在特定測量組構中執行。所述測量提供實際幾何形狀相對於安裝表面之目標幾何形狀的偏差。'校正計算'包括在測量組構中之下垂的計算，以得出機架部件之調整後的測量、及由 於軸運動之變形的校正，從而形成用作安裝表面之機械校正的輸入之安裝表面校正輪廓。根據安裝表面校正輪廓，藉由雷射加工在軸導引部件的安裝表面賦予'機械校正'。然後，於'機械結構之完全組裝'步驟中組裝定位機，並執行'TCP測量'，以通過已實現的安裝表面校正輪廓來判定在TCP之軸運動精度。
於定位機的製造中使用本發明之方法導致產品基座運動精度的持續改善、尤其是減小之直度偏差和減小的旋轉運動誤差。較佳地係，藉由統計製程控制(SPC)監控生產製程。收集並分析所有定位機構之測量結果，以識別可接著校正的系統偏差，供進一步改善安裝表面校正輪廓，並從而提高定位機構之運動精度。
除了本發明所揭示的機械校正方法以外，能以已知方式添加例如數值補償之其他校正改方法。藉由在組裝的機械處進行測量來判定機械之幾何偏差，且接著將測量的偏差用於數值補償，以進一步改善機械精度。
藉由沿著軸導引部件之安裝表面移除材料來賦予安裝表面校正輪廓可使用通用的雷射加工機、通常是雷射造紋加工機來完成。此賦予安裝表面校正輪廓之方式適合用於校正機架部件的安裝表面，所述機架部件通常非常大，且其通常具有二相距較遠之平行安裝表面。然而，要處理的物件、例如導向路導軌之底部表面的特徵在於，沿著安裝表面之主延伸方向移除少量的材料，反之商用雷射造紋加工機通常設計成可容納2D、2.5D或3D物件。於 此案例中，此等商用雷射造紋加工機的加工體積不需要很大。軸導引部件之安裝表面的主延伸方向與軸方向對應。例如，軌道之底部表面或填隙箔片的表面通常具有主延伸方向，如圖9b中所示。因此，用於機械校正軸導引部件之安裝表面的裝置較佳地係適合於特定目的。
圖12顯示一實施例，其顯示專用裝置100，用於機械校正定位機之軸導引部件的安裝表面之幾何運動誤差。此裝置100包括用於安裝導向路導軌17或填隙箔片的安裝台105；用於將軸導引部件精確地對齊在安裝台及/或固持機構及/或夾緊機構(未示出)上以將軸導引部件固定抵靠著安裝台之一或更多參考銷121、122或止動件；包括雷射源和鏡式檢流計(均未示出)的雷射單元111，所述雷射單元產生雷射光束112，其軸線基本上是相對於安裝台105正交，安裝台和雷射單元111可在軸導引部件軸線之方向中相對於彼此運動；及控制單元(未示出)，以控制雷射單元的雷射光束與安裝台相對於雷射單元之相對位置、例如將安裝表面校正輪廓賦予至軸導引部件。
專用校正裝置100的工作台105安裝在固定不動之基座上，並可沿著水平的X軸運動。專用校正裝置之此水平軸的行程覆蓋要處理之軸導引部件的整個表面。專用校正裝置具有安裝至固定基座之立柱102、和安裝在所述立柱102上的直立Z軸110。Z軸支承雷射單元111和例如包括光學機構或接觸探針之可選的測量單元(未示出)。裝置100是簡單的，因為其基本上具有二線性軸，Z軸具有在 5mm至50mm範圍中之非常短的行程，且X軸具有較長之行程，以容納所有即將到來的導向路導軌或填隙箔片。
以下是藉著專用校正裝置100賦予安裝表面校正輪廓之製程的示範說明。具有長度L=1050mm、寬度W=34mm和厚度H=30mm之線性導引件的導軌準確上下倒置地安裝於校正裝置100之安裝台105上，意指使其安裝表面在頂部。導軌於所述安裝台105上的第一參考銷121緊靠著頂部，以判定導軌17之原點，並橫向抵靠著二附加參考銷122，以判定導軌17的橫向位置，並使導軌與安裝台105的X運動對齊。根據導軌17之高度，藉由定位Z軸110來調整雷射單元111的直立位置。開始校正程式，從而將工作台105定位於導軌之原點，且接著根據安裝表面校正輪廓的材料量自動地從導軌移除。檢流計掃描器提供必要之自由度，以逐步和逐層地處理安裝表面的界定區域，並覆蓋安裝表面之整個寬度，而無其他額外的橫向軸運動。
在圖13所示之另一實施例中，用於機械校正定位機的軸導引部件之安裝表面的幾何運動誤差之裝置200包括具有多數支撐輥225的基座201，以支撐和導引所述導向路導軌17；托輥220，以在待處理區域中精確地支撐導軌；用於導軌之受控餵入的二摩擦餵入輥221和222。托輥可包括編碼器，以提供導軌位置反饋。專用校正裝置具有安裝至固定不動基座之立柱202、和安裝在所述立柱202上的直立Z軸210。Z軸支承雷射單元211和可選之測量 單元(未示出)。根據導軌17的高度，藉由定位Z軸210來調整雷射單元211之直立位置。開始校正程式，由此摩擦餵入輥221和222推進導軌並控制其位置，同時雷射光束212根據安裝表面校正輪廓移除材料量。
上面在此所說明的軸導引部件之安裝表面的機械校正之裝置100、200可基本上僅具有一受控的餵入軸，用於安裝表面和雷射單元之相對定位，因此其具有緊湊、更精確、且價格低於通用機械的優點。
用於機械校正定位機之軸導引部件的安裝表面之裝置100、200可進一步包括自動化機構，包括裝載和卸載、軸導引部件的尺寸和位置之測量、軸導引部件的安裝表面之初始和最終測量等。
已敘述本發明，其說明典型的幾何運動誤差之案例，亦即，在橫樑的直立直度偏差。根據本發明之用於機械校正的方法也可用於校正其他幾何運動誤差、尤其是橫向直度偏差。在此，藉由判定個別偏差貢獻並總結這些貢獻來再次判定橫側安裝表面校正輪廓。可於導向路導軌之側表面或在機架部件的對應安裝表面或於填隙片處賦予所述橫側安裝表面校正輪廓。
機架部件通常具有用於每一軸之二相距較遠的平行安裝表面，導向路導軌安裝在所述安裝表面上。因此，除了於參考圖2a至圖2d所敘述之機架部件的安裝表面之個別直度測量、及個別補償以外，可個別測量並組合機架部件的安裝表面之直度以判定在機架部件安裝表面的平 坦度，並考慮所判定之平面度為二相距較遠的平行安裝表面判定匹配之安裝表面校正輪廓。
儘管已於附圖和前面敘述中詳細地說明和敘述本發明，但是此說明和敘述應認為是說明性或示範性的而不是限制性的。將理解普通技術人員可在以下請求項之範圍內進行改變和修改。尤其是，本發明涵蓋具有來自以上和以下敘述的不同實施例之特徵的任何組合之其他實施例。

Claims (14)

  1. 一種用於定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，該定位機具有至少二機架部件和用於該機架部件之相對運動的至少一軸運動組件，該至少一軸運動組件包含複數軸導引部件，每一軸導引部件和每一機架部件具有安裝表面，其特徵在於‧針對所考慮之軸判定安裝表面校正輪廓，而該安裝表面校正輪廓敘述針對所考慮的軸之機械校正的位置功能中之校正量，且‧藉由機械加工將該判定的安裝表面校正輪廓賦予至該軸導引部件之安裝表面或該考慮的軸之機架部件的安裝表面。
  2. 如請求項1之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該安裝表面校正輪廓由以下得出：該個別機架部件之安裝表面的測量幾何誤差，該幾何誤差係沿著該考慮之軸的安裝表面之位置功能中所判定的直度誤差，及/或該定位機之刀具中心點的計算偏差，其藉由該機架部件沿著該考慮之軸的相對位移所判定。
  3. 如請求項2之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中，該個別機架部件之安裝表面的幾何誤差首先藉由測量組構中之個別機架部件的安裝表面之直度或平面度的測量所判定，及 針對該測量組構，計算該個別機架部件於該安裝表面之靜態變形，且藉由從該首次測量的幾何誤差減去該測量組構中發生之所計算出的變形，計算該個別機架部件之安裝表面的調整後之幾何誤差。
  4. 如請求項3之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中考慮到該機架部件相對於重力之定向並且考慮到支撐點的位置和剛度，較佳地係藉由數值模擬來判定該測量組構中發生之個別機架部件的計算出之靜態變形。
  5. 如請求項2之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該定位機之工具中心點(TCP)的計算出之偏差轉置在該機架部件的安裝表面，使得取消刀具中心點之計算出的偏差。
  6. 如請求項2之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該安裝表面校正輪廓進一步考慮到該考慮之軸的一或更多軸導引部件之幾何誤差而得出，該軸導引部件是以下的一或更多個：該考慮之軸的軸導向路，包括導軌及/或滑架，及中間部件、尤其是填隙箔片或填隙墊片。
  7. 如請求項1之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該安裝表面校正輪廓計算為以下之總和：沿著該考慮的軸之機架部件的安裝表面之倒置調整的 幾何誤差，及沿著該考慮之軸的安裝表面之一或更多軸導引部件的倒置幾何誤差，及藉由沿著該考慮之軸的機架部件之相對位移所判定的定位機之工具中心點的計算偏差，其轉置在該機架部件之安裝表面。
  8. 如請求項1至7項的其中一項之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中藉由根據所判定之安裝表面校正輪廓在以下的其中一者處移除材料量來賦予該考慮之軸的機械校正：該考慮之軸的機架部件之安裝表面；該考慮的軸之導向路的導軌之安裝表面；中間部件的安裝表面，尤其是填隙箔片或填隙墊片的安裝表面。
  9. 如請求項1至7項的其中一項之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該判定之安裝表面校正輪廓藉由機械加工、化學加工、熱加工、或增材製造的其中一者賦予至該軸導引部件之安裝表面。
  10. 如請求項1至7項的其中一項之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該判定之安裝表面校正輪廓藉由雷射加工而賦予至該軸導引部件的安裝表面。
  11. 如請求項1至7項的其中一項之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中用於該機架部件之 相對運動的軸運動組件係線性軸運動組件或旋轉式軸運動組件。
  12. 如請求項1至7項的其中一項之定位機的幾何運動誤差之機械校正的方法，其中該定位機係工具機、坐標測量機、或操縱器。
  13. 一種定位機，具有至少二機架部件和用於該機架部件之相對運動的至少一軸運動組件，該至少一軸運動組件包含複數軸導引部件，每一軸導引部件和每一機架部件具有安裝表面，其特徵在於根據請求項1至12項之其中一項所說明的方法校正該軸導引部件及/或機架部件之至少一安裝表面。
  14. 一種根據請求項1至12項之其中一項所說明的方法來機械校正定位機之軸導引部件的安裝表面之裝置，該裝置包含：安裝台，用於安裝該軸導引部件；一或更多參考元件，用於將該軸導引部件精確地定位在該安裝台及/或固持機構及/或夾緊機構上，以將該軸導引部件固定抵靠著該安裝台；雷射單元，產生雷射光束，其軸基本上相對於該安裝台正交，該安裝台和該雷射單元可在該軸導引部件軸線的方向中相對於彼此運動；控制單元，以控制該雷射單元之雷射光束和該安裝台相對於該雷射單元的相對位置，以便將該安裝表面校正輪廓賦予至該軸導引部件之安裝表面。
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