[发明专利]用于校准多轴计量系统的几何形状的方法

说明书

本申请是2004年11月18日申请的、申请号为201010514912.2的题目为“用于校准多轴计量系统的几何形状的方法”的专利申请的分案申请，所述申请号为201010514912.2的专利申请是2004年11月18日申请的、200480041546.6的题目为“用于校准多轴计量系统的几何形状的方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于表面和波阵面计量的方法和装置；更具体，涉及用于测量相对于机器运动轴和测量设备的表面位置的方法；最具体地，涉及用于集成计量系统的几何形状校准的方法，其中所述计量系统包括多轴CNC机械定位装置和嵌入式波阵面测量量具。

背景技术

在单点扫描测量系统的应用和加工中，实现精确定位是极为重要的。敏感方向上的定位误差转换为一对一的切削/测量误差。结果，人们将大量的努力投入到精确定位系统的制造、用于测量该精确度的方法、以及用于补偿诸如轴线不垂直等运动偏离的装置。这些方法可以包括位于外部计量框架上的激光位置测量装备。利用这种方法可以实现微米水平或更高的定位精度。

从机器设计方面、以及计量装备的成本方面来说，这些方法可能会非常昂贵。为了获得最好的效果，这些方法还经常要求高水平的环境控制。此外，这些方法通常仅被用在平移运动(X-Y-Z)上。如果在这样的机器中使用主轴，则主轴通常被用于高速转动切削刀具，或者相对于切削刀具转动零件。扫描测量工具，比如轮廓仪和坐标测量机(CMMs)等，很少具有转动轴。这些工具通常用于近似旋转对称表面的方位角扫描。

然而，波阵面测量量具(比如斐索干涉仪或Hartmann-Shack波阵面传感器)以与机械刀具和扫描测量装置不同的方式工作。这种量具在表面—通常整个测试表面—上采集多个测量点，这与沿着测试表面扫描的单个定位点有所不同。结果，在波阵面测量量具中所需要的零件定位和工作台对准条件是相当地粗糙。

波阵面测量量具的纵向测量范围通常比仿形设备的小。结果，零件的定位必须比仿形机的定位要更精确，并且经常需要仿形机所没有的倾斜动作。然而，由于波阵面测量设备提供关于零件相对于量具的位置的自反馈，因此运动的精确性并不重要。而且，相比于仿形机而言，波阵面测量量具的数据获取时间要短若干秒，或短几分钟或更长时间。对于波阵面测量量具而言，零件和测量量具的长时间的绝对稳定性变得不再那么重要。另外的关键差别是：仿形机在测量时需要动作。

总而言之，仿形机和高精度CNC加工中心通常需要在三个平动轴上的高精度的动态运动。波阵面测量量具通常需要对零件倾斜定位，但是缺少高的精度和动态条件。

在包括波阵面测量量具和机械定位装置(尽管对于一般用途不是必需的)的计量系统中的精确定位，具有几个用途。有些实例包括校准方法，其采用多个零件动作，测量相对于波阵面测量量具倾斜一定角度的零件或系统，以及在测试表面上不同位置进行的多次测量的子开孔缝合。

这一应用比常用系统需要更精确的动作。现有技术中已知的是，用于仿形机和高精度机加工的方法是利用指示器量具、激光位移量具以及其他类似装置来对准和校准移动的平动轴线。但是该校准是非常昂贵和花费时间的，因此并不能容易地应用于波阵面测量计量系统所必需的旋转轴上。此外，这种方法对于嵌入式量具相对于机械轴和工作台、特别是旋转轴的对中没有公开任何内容。已知的是，通过手动对准或填隙来测量零件楔角/锥度和对中，或相对于主轴轴线消除它们，但是这需要另外的装备和/或冗长的步骤。

所需要的是一种用于集成计量系统的几何形状的校准的方法，该方法利用被嵌入整个系统中的波阵面测量量具。

还需要的是用于将特定的零件表面坐标定位到特定的嵌入式量具坐标上的方法。

还需要的是用于测量安装好的零件相对于主轴轴线的楔角和/或偏心性的方法。

本发明的主要目的是测量在整个计量系统内的波阵面测量量具、测试零件表面、以及机械轴线之间的几何关系，以便获得对于波阵面测量所必须的精度。

本发明的另一目的是在准备移动测试零件表面时校准和对准计量系统，从而使得特定的零件表面坐标定位在特定的嵌入式量具坐标上，而不需要任何另外的昂贵计量设备、嵌入式计量系统或耗费时间的对准。

本发明的又一目的是测量零件相对于主轴轴线的楔角和/或偏心性，进一步精确地对中零件。

发明内容