一种用于校正和对准计量系统的方法，其中所述系统包括具有多轴零件定位装置的机器，并且在机器内嵌有波阵面测量量具。该量具被用来确定平动轴和转动轴之间、零件表面坐标和机器坐标之间、以及机器坐标和嵌入式量具坐标之间的空间关系，校准机器和嵌入式量具的各个分量，并且用于将自身对准机器。完整的方法包括以下步骤：粗略地对准机器转动轴和它们各自的平动轴，并且为转动轴设置标称零点；将嵌入式量具主机架对准机器轴线；将嵌入式量具的焦点对准到主轴轴线上；如此对准之后，确定转动轴之间的空间偏移；精确地对准机器转动轴和它们各自的平动轴；以及为转动轴设置精确的零点。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。
技术实现思路
简单地说，本专利技术提供一种用于校准和对准计量系统的方法，其中所述系统包括具有多轴零件定位装置和嵌入式波阵面测量量具的机器。在精确地确定平移和转动轴线的空间关系、零件表面坐标和机器坐标之间的空间关系、机器坐标和嵌入式量具坐标之间的空间关系时，在校准机器和嵌入式量具的各个部件时，以及在对准量具和机器时，该量具是整体元件。这种整体对准在利用多个重叠的子开孔测量的数学缝合确定测试零件的超开孔表面特征的过程中是有用的。在最宽泛的形式下，该方法包括使用嵌在多轴零件定位机器中的波阵面测量量具，其中所述机器位于集成计量系统内，以便直接帮助校准和对准机器的部件、量具、测试表面及其各种组合。组合的量具和机器的重要应用是在主轴轴线对准步骤中，在此称之为“零件安装”(“part-on-mount”)步骤，其中测试零件被安装在机器主轴上的工作台或卡盘上，并且在主轴上且在量具波阵面中转动，以便产生多个X和Y测量值。对这些测量值进行处理，以便确定主轴、零件表面和嵌入式量具的几何相对关系。当在量具内采用球面光学，例如用于测量球形测试表面时，主轴轴线与量具聚焦点(量具焦点)相对准。当在量具内采用平面光学时，主轴轴线与量具波阵面的传播方向相对准。用于校准和对准计量系统的所有部件的完整方法包括下述步骤f)粗略地使机器旋转轴与它们的各个平动轴对准，并且为转动轴设置标称零点；g)将嵌入式量具主机架对准机器轴线；h)将嵌入式量具焦点定位在A旋转轴(主轴)上(为进行准直测试而平行于主轴轴线；注意只要聚焦元件改变，就应该重复该步骤)； i)当对准时，确定旋转轴之间的空间偏移，以及电机步进尺寸(如果还没有精确知道的话)；j)精确地对准机器旋转轴及其各自的平动轴，并且利用嵌入式量具为旋转轴设置精确的零点。附图说明通过结合附图阅读以下的说明书，将更加明显可见本专利技术的前述以及其他目的、特征和优点，及其目前优选的实施例，在附图中图1是根据本专利技术的多轴计量系统的立体图；图2a是图1所示设备所实施的三个旋转轴和三个平动轴的立体简图；图2b是图2a所示旋转轴之间的偏移的立体简图；图3是表示各种球面测试零件(图3a-3c)的共焦/零定位的示意图，其中测试零件被定位成测试表面的标称曲率中心与嵌入式量具显现的球面波阵面的中心接近匹配；图4是表示各种平面测试零件(图4a-4b)在嵌入式量具发出的准直光场中的定位的示意图，其中测试零件被定位成零件表面法线平行于光场的传播方向；图5a-5b是表示根据本专利技术的测量系统的可堆叠元件的示意图，包括5a)设置在嵌入式量具内的球面量具聚焦元件(例如在嵌入式量具是斐索干涉仪的情况下的传动球)；5b)固定在围绕轴线B可转动的工作台上的主轴轴线A；5c)设置在嵌入式量具内的传动平板；5d)设置在底座上的任意位置处的球面测试零件；以及5e)具有楔角并且设置在底座上的平面测试零件；图6a是表示图5d的球面测试零件和底座的示意图，该零件和底座被设置在主轴轴线A上，以便围绕图5b所示轴线B转动；该组件被设置在如图5a所示的用于测量球面零件的嵌入式量具的测量范围内；图6b是表示图5e的平面测试零件和底座的示意图，该零件和底座被设置在主轴轴线A上以便围绕图5b所示的轴线B转动；该组件被设置在如图5c所示的用于发射准直光场的嵌入式量具的测量范围内；图7是表示用于确定零件的标称曲率中心、主轴轴线A以及量具焦点之间的距离的方法(或者在平面测试零件的情况下，主本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于确定测试零件相对于主轴轴线的位置、主轴轴线相对于波阵面测量量具的位置的零件安装方法，该方法用在计量系统内，其中所述计量系统包括具有主轴轴线和波阵面测量量具的零件定位装置，所述方法包括下述步骤：ａ）将所述测试零件安装到所述主轴 轴线上，从而所述测试零件的表面暴露给所述量具；ｂ）在所述主轴的多个转动位置处通过所述量具获取所述测试零件表面的测量值；ｃ）从每个所述转动位置的所述表面测量值中提取倾斜分量；ｄ）对所述倾斜分量和所述转动位置拟合圆；以及 ｅ）确定所述圆的中心和半径坐标，以便分别提供量具到主轴和主轴到零件的未对准度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：保罗墨菲，乔恩弗里格，格雷格福布斯，
申请(专利权)人：QED国际科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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