专利名称：对准光学测量系统的光学部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用以将准备用于测量操作的光学测量系统部件予以对准的方法和装置。
一种已知类型的光学测量系统包括两个以上的壳体，至少其一固定在机器的底座上，而另一个由机器的移动臂或主轴支承。一个壳体包含有一个或多个光源和探测器，以下将称作“光源壳体”，而另一壳体包含有反射器，以下将称作“反射器壳体”。通常光源壳体保持在机器底座上的固定位置中，而反射器壳体安装在机器的移动部件例如机器主轴上。
将光学部件加以对准通常是一个耗时的过程，包括首先对准光源壳体使得其中产生的光束沿着或平行于机器的X、Y和Z轴之一或多个定向。然后，必须将反射器与该光束对准使得反射光束射回探测器上。取决于所用探测器的类型，该对准可能必须精确至几弧秒的范围内。
本发明的方法和装置使得光源、反射器和探测器的对准可以在机器的所有三个轴线上简单而且迅速地完成。
根据本发明的一个方面，一种用于机器的光学测量系统，包括两个壳体，固定在机器的两个相对可移动部件上，每个壳体在其至少一面上设有一个安装装置的互补部分，该安装装置使得当其两个部分连接在一起时，壳体互相对准并且与机器部件的已知相对移动方向对准。
在一个优选实施例中，安装装置的部件为运动支座，其一起构成一个运动支架，采用磁体将所述运动支架的两个部件压在一起。
光学部件预先设置在相应壳体之内，使得当安装装置的两个部分连接在一起时所述两个壳体中的光学部件互相正确对准。
一个壳体上可以设有可调连接器的一个部分，使其关于三个正交旋转轴线的取向能够在有限范围内变换。该可调连接器的另一部分连接至机器的相对运动部件之一上。
根据本发明的一个独立方面，设有一个基座，在其至少一个表面上具有用于至少一个运动支座的定位元件，并且可以在其三个正交表面的每一个上具有这种支座。基座上设有可调节装置，使其能够与所述三个正交机器轴线对准。当光源壳体通过其运动支座安装在基座的任一运动支座上时光源壳体则与一个机器轴线自动对准。
然而替代地，运动支架的三个定位元件可以直接设在机器底座上的已知位置中，通过在基板或壳体上分别设置运动支架协调作用的定位元件，使得基板或所述壳体之一能够直接安装在机器底座上的已知位置。
在再一个实施例中，替代基板，一个单个球体可以用于安装壳体。该球体可以刚性安装在基座结构上使得一旦基座结构定位在机器上之后球体则保持固定，或者球体可以安装成相对于基座结构可以调节从而在机器上的壳体定位方面提供一定的顺应性。基座结构最好通过磁力支承定位在机器上。壳体在其内部设有一个杯帽，位于机器上的所述球体上，使得壳体能够围绕通过球体中心的水平和竖直轴线转动，从而可以与机器轴线对准。一旦对准则优选通过杯帽与球体之间的磁力对其支承定位。可以通过将另一壳体定位在机器主轴上并且向球体上的壳体驱动机器主轴以啮合所述两个壳体之间的运动定位元件，然后驱动机器主轴以使机床上的壳体重新定向，以此实现壳体在球体上的转动。
在本发明的另一个实施例中，所述两个壳体构成一个球杆的两个部分。在此情况下所述球杆改型为提供两个用运动支架连接在一起的可分离部分。所述部分之一相当于所述光源壳体并且含有光源、线性干涉仪的干涉仪光学器件和探测器，而另一部分含有反射器。在该实施例的改型中，所述光源和/或探测器可以相对于球杆是远程的，并通过光缆与之连接。
为了防止球杆的两个部分在分离时下垂(即围绕球体端部转动)，可以在球体的相对侧上设置配重，或者用于支承球体的杯帽可以包含磁体以对该球体支承定位。在这些情况下当球杆的所述部分将要分离时可以通过电磁体来补充磁力。
下面参照附图仅仅以例示方式对本发明进行更详细的说明。附图中
图1为根据本发明第一实施例的光学测量系统部件的概略正视图；图2和3表示可调连接器的一个实施例；图4表示本发明的另一个实施例；图5和6表示本发明的再一个实施例；图7表示本发明的光源壳体的固定支架；以及图8表示本发明的再一个实施例。
下面参照附图，图1中显示了第一实施例用于安装在机器上的光学测量系统。
该光学测量系统包括基板10、光源壳体20和反射器壳体22，所有这些部件都需要与一个或多个机器轴线正确对准。基板10通过螺钉12、14连接至机器的底座。
在第一实施例中，光源壳体20包括一个自动对准器，按光学顺序由光源24、分束器26、准直透镜28和探测器30构成，其中经准直的光束通过准直透镜28从壳体出射，探测器30用于接收来自反射器壳体22经由分束器26的返回光束。
光源壳体还包括一个运动支座，其形式为排列成三角形阵列并且以120°间隔开的三个球形支座元件16。支座元件16与基板上的三个V形槽(未画出)协同工作构成传统的运动支座，用于对基板上的壳体进行反复定位。
基板本身，或者替代地基板和光源壳体一起，与机器的一个轴线比如X轴对准。如果基板单独地与该轴线对准，这可以通过采用例如用一个接触探针定位的基准表面或边缘(未画出)来实现。然后利用运动支架将光源壳体定位在基板上，使运动支架取向为将来自光源的光束对准成平行于基板上的基准表面。
然而，如果基板和光源壳体一起与机器轴线对准，则可以通过使来自光源壳体的准直光束射向适当的光学目标同时使光源壳体安置在基板上而容易地实现。
在任一情况下，可以通过在螺钉12、14与其穿过的基板相应孔之间设置间隙来实现基板在X、Y平面内对准的精细调节。在此例中，由于机器底座的平面度以及基板和运动支架的制造精度而实现在XZ和YZ平面内的对准。
光源壳体在其前表面(即与光束方向正交的表面)上还具有一个运动支座18，其上可以安装反射器壳体。在制造阶段将光源和反射器加以对准，以确保当反射器壳体安置在光源壳体前表面的运动支座18中时光束与反射器被准确地对准。
因此可以看出，一旦光源壳体20被正确地对准以使光束沿着一个机器轴线比如X轴出射，则可以将反射器壳体安置在光源壳体前表面的运动支座上，反射器壳体将与来自光源24的光束自动对准。可以采用磁体50、52将这两个壳体一起压在运动支座上。
为了照顾到机器主轴与反射器壳体连接在一起时其间位置的任何不匹配，通过采用一个壳体22可以由之连接至机器主轴34的可调连接器，使反射器壳体22具有有限量的顺应性。可调连接器具有一个球体36，位于机器主轴上的球形承窝38中。球体36由保持装置40可调节地支承，保持装置40接着通过任何适当装置例如带螺纹的螺杆连接装置42连接至壳体22。
从图2和3中可以看出，保持装置包括一对颚爪44，颚爪44封闭出一个圆柱形孔46。通过夹紧螺栓48与各颚爪的螺纹啮合可以开启和关闭颚爪。球体36通过杆50连接至位于孔46中的另一个球体52。设有一个弹簧54将球体52向孔46的外面推动。
这样球体36可以通过一个有限的角度加以调节，以使之能够啮合在机器主轴的承窝38中。通过在球体36、承窝38或者两者中设置磁体(未画出)将球体36以公知的方式保持在承窝38中。上述类型的调节装置在我们的欧洲专利No.508606B1中有更详细的描述，将其说明在此引入本说明书作为参考。
因此，一旦光源壳体已经与机器轴线对准，则固定在机器主轴上的反射器壳体22就可以被拉到光源壳体跟前。通过松开夹紧螺栓48，可以使可调连接器足够自由地转动，从而使反射器壳体定位在运动支座18中。通过这种方法可以确保光源壳体与反射器壳体的自动对准。夹紧螺栓48一旦定位在运动支座18中即被紧固以保持壳体22的取向。
为了将光源壳体20与其它机器轴线对准，可以采用几种替代结构。在上述光源壳体安装在基板上的例子中，光源壳体在其下表面或在其垂直表面的其它面上可以具有其它的运动支座。通过这种方法可以将其在不同的平面内旋转90°并且在基板的运动支座上沿不同取向重新定位。通过这种方法可以使来自光源的光束沿不同的机器轴线发射。在此情况下，反射器壳体将继续定位在光源壳体上相同的运动支座18中，从而使之也与不同的轴线对准。
替代地，可以采用立方体或长方体形式的块件来取代基板。这种块件在其各垂直面上可以设有运动支座，从而利用光源壳体上的单个运动支座，可以通过使其运动支座与所述块件上的任何一个支座啮合使之沿不同方向取向。在此情况下反射器壳体将继续使用光源壳体上的相同运动支座。
在另一个替代实施例中，光源壳体可以包含用于提供沿不同机器轴线取向光束的多个光源，并且在其垂直于各光束方向的表面上可以设有运动支座。在此情况下，反射器壳体可以放置在任何相应的表面上并由机器主轴支承以沿相应光束的方向运动。替代多个光源，该实施例可以变型为提供单个光源和多个分束器以发射沿不同正交方向的光束分量。
在所有上述实施例中，不同运动支座取向或光束方向之间的角度需要校准以进行垂直度测量。
图4显示了提供来自光源壳体的三个光束的实施例。如前所述，光源壳体包括单个光源24，用于产生光束，接着光束通过分束器/探测器结构26/30射向准直透镜28。从透镜28出射的准直光束射向一对分束五棱镜60和62，其输出为从光源壳体三个正交表面出射的三束正交准直光束A、B和C。
运动支座64、66(仅画出两个)设在光源壳体的三个正交表面上。通过这种方法，可以将由机器主轴支承的反射器壳体68可拆卸地固定在光源壳体的三个表面的每一个上，以使其沿三个正交方向的任何一个对准。
图5和6显示了另一个替代实施例，其中基板刚性连接到机器底座上，光源壳体20用可调座架安装在基板上。
可调座架包括一个位于基板10与光源壳体20之间的部分球形轴承。该球形轴承包括一个光源壳体上的凸部82和一个基板上的凹部84。在光源壳体的后部(即球形轴承的相对端)，调节螺钉86克服弹簧(未画出)的作用垂直支承在基板上以升高或降低光源壳体的后部，使其在竖直平面内绕着所述部分球形表面转动。
同样在光源壳体的同一端，安装在基板上的水平调节螺钉90克服一个第二弹簧(未画出)的作用推压在光源壳体的突起92上，使得光源壳体在水平面内绕着球形轴承表面82、84转动。
部分球形轴承的中心位于点O处，当反射器壳体定位在运动支座18中时其位于反射器壳体的光学中心，从而在光学对准过程中对光源壳体有关间距和颚爪轴线的微小调节不会导致光源壳体相对于反射器壳体的任何平移。因此当反射器壳体重新定位在运动支座18中时，它会与来自光源壳体的光束自动重新对准。
用该测量系统进行测量的方法对于所有所述的实施例都是相同的。
首先如前所述将光源壳体与任一机器轴线对准。然后用一个运动支座将反射器壳体固定在光束由之出射的光源壳体的表面上，并且使机器主轴位于使得反射器壳体可以用可调连接器支承的位置。
沿着待测量轴线进行主轴的微小初始运动(d)，以使反射器壳体从其运动支座上脱开。在此位置获得来自光学测量系统探测器的读数。然后将主轴移动进一步的增加距离(d1)并且获得进一步的探测器读数。根据自动对准器的读数确定运动的角偏移并加以记录。沿着该轴线重复此过程以获得逐步增加位置(d2)至(dn)的测量值，从而建立起角偏移的记录。
在光源壳体和反射器壳体中可以包含其它的光学部件。例如可以包含一个线性干涉仪，其激光器和探测器设置在光源壳体中，干涉仪光学器件设置在反射器壳体中。
可以采用数种不同的结构来实现将这两个壳体与不同机器轴线对准的目的。
例如可以省略基板，待安装在机器固定部件上的壳体可以直接安装在三个球体上，这三个球体设置成直接在机器底座上形成运动支架。这些球体都可以是可调节地安装，例如通过图2和3中所示的可调连接器安装，使得其初始定位并不重要。首先将保持装置40放置于形成运动支架的大致正确位置，该运动支架取向为将壳体沿所需机器轴线对准(最好采用磁体将其吸合定位以替代螺杆42)。然后将连接至机器主轴的杯帽依次置于各球体36上，通过放松调节装置，在固定之前根据机器标尺的读数对各球体36的位置精确地加以调节和记录。
在另一实施例中，替代壳体20与机器之间的运动支座结构，可以采用单个球体定位在壳体的杯帽中。这在图7中简要画出。球体可以如所示实施例中那样刚性地安装在基座结构上，或者可以用类似于图2和3中所示可调节安装球体的方式可调节地安装在基座结构中。在安装至壳体之前，必须首先例如通过探测来精确地确定球体的位置。
再参照图7，壳体20显示在基座结构上，或者位于例如机器底座上的块件80上。该块件上固定有一个支柱82，在此例中显示为竖直的，其具有球体84形式固定在其自由端的支架。壳体20具有一个构成为其部分内部结构的杯帽，其上可以支承球体84并使之磁力定位，壳体20具有一个适当的开口，所述支柱和球体可以从其中通过。因此该壳体能够在水平面内绕着支架进行360°转动，并且在竖直面内进行180°转动，在壳体中设有一个适当的槽以避免壳体壁碰撞支柱82。
为了将壳体20与机器轴线对准，将反射器壳体22安装在机器主轴中并向着壳体20驱动，直到两个壳体之间的运动支座18可以啮合。这在开始时通过手动调节壳体20的位置来进行。由于壳体20安装在单个固定球体上，所以壳体22需要以一定的顺应性例如用图2中所示可调装置安装在机器主轴上。
在一个替代实施例中，将球体用可调节装置安装在机器上，在紧固调节机构之前通过使机器主轴上的杯帽与球体形成定位关系来确定其位置。然后根据机器标尺的读数可以确定球体的位置。接着，一旦确定了球体的位置，则可以将壳体安装在球体上，并且如上所述用运动支座18沿着不同机器轴线的方向取向。
在图8所示的另一个实施例中，两个壳体22和22构成一个球杆(ball-bar)的两个部分。第一部分具有一个球体100，能够定位在由磁体101磁力保持在机器中的杯帽102中。壳体104连接至该球体并且包含有光源和线性测量干涉仪105的干涉仪光学器件。第二部分具有一个球体106，能够定位在由磁体107磁力保持在机器中的杯帽108中，并且具有壳体110，壳体110包含有干涉仪的回射器。各杯帽最好含有三个垫片，球体100和106运动定位于其上。球杆的两个部分在运动接点114处接合，运动接点114由磁体116推压啮合的球杆各部分上的定位部件构成。
杯帽102、108是可调节型的，如图2中所示。
为了将球杆沿机器轴线对准以进行测量，将杯帽102定位在机器上，球体100、106之一定位在杯帽中。机器主轴设有与球体100、106相配合的杯帽，并使之向下定位在球体100上。从机器标尺的读数可以确定球体100的位置。然后沿着一个机器轴线以等于球杆长度的距离移动机器主轴，并且将第二球体106定位在先前已经定位于大致正确位置的第二杯帽中。当实现杯帽108与球体106之间的适当定位时，将杯帽的调节机构加以紧固。现在球杆已经与机器轴线对准。
为了沿该轴线进行测量，通过断开运动接点，使机器主轴支承着球体102和反射器壳体沿其轴线移动。干涉仪对所移动距离进行测量。
为了防止运动接点114断开时球杆下垂，可以对球杆的重量进行补偿平衡，或者使用于将球体保持在杯帽中的磁体的磁力足够大以抵抗下垂，例如通过电磁体来增强磁力。
为了减小球杆的重量，光源可以是通过光缆连接至球杆的远程光源。
因为球杆可以在机器主轴上在杯帽中转动，所以可以通过使球杆转动90°来沿着机器的X和Y轴进行测量。
权利要求
1.一种用于机器的光学测量系统，包括两个壳体，安装在所述机器的两个相对运动的部件上，每个壳体在其至少一个表面上设有一个安装装置的互补部分，该安装装置使得当安装装置的所述两个部分连接在一起时，壳体互相对准并且与机器部件的一个已知相对运动方向对准。
2.如权利要求1所述的光学测量系统，其中安装装置为一个运动支架，包括相应壳体上的互补运动支座。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光学测量系统，其中各壳体包含有光学测量系统的光学部件，所述光学部件预先设置在相应壳体中，使得当安装装置的两个部分连接在一起时所述两个壳体中的光学部件互相正确地对准。
4.如前面任一权利要求所述的光学测量系统，其中至少一个壳体上设有使其关于三个正交旋转轴线中至少一个的取向能够在有限范围内变换的可调连接器。
5.如权利要求4所述的光学测量系统，其中所述可调连接器使得其所连接的壳体的取向能够在三个正交轴线中变换。
6.如权利要求1所述的光学测量系统，其中所述壳体之一通过定位元件安装在机器上一个基座上的固定位置中，该基座本身可调节地安装在机器底座上。
7.如权利要求6所述的光学测量系统，其中所述定位元件构成基座上的运动支架部件。
8.如权利要求1所述的光学测量系统，其中所述壳体之一通过三个定位元件直接安装在机器底座上，该三个定位元件构成运动支架。
9.如权利要求8所述的光学测量系统，其中所述三个定位元件是可调节的。
10.如权利要求1所述的光学测量系统，其中所述壳体之一通过一定位在机器上的单个球体安装在机器上，该球体与所述壳体中的一个杯帽啮合。
11.如权利要求10所述的光学测量系统，其中所述球体和杯帽由磁力推压啮合。
12.如权利要求10所述的光学测量系统，其中所述球体安装在机器上的一个固定基座结构上。
13.如权利要求10所述的光学测量系统，其中所述球体安装在机器上的一个可调节支架上。
14.如权利要求1至3任一所述的光学测量系统，其中所述两个壳体构成一个球杆的两个部分。
15.一种对准机器上光学测量系统光学部件的方法，所述系统包括两个含有测量系统光学部件的壳体，该方法包括如下步骤在各壳体的至少一个表面上设置一个安装装置的互补部分，该安装装置的互补部分设置成使得当所述互补部分连接在一起时所述壳体相互对准并且与相对机器的一个已知方向对准，将所述两个壳体安装在机器的相对运动部件上，至少一个壳体通过可调节连接器安装，将所述壳体之一与所述相对机器的已知方向对准，并且将所述安装装置的互补部分啮合同时使得所述可调节连接器能够调节。
全文摘要
光学测量系统的部件包括两个各含有该系统光学元件的壳体(20、22)。所述两个壳体每个在其至少一个表面上设有运动支架(18)的互补部分,光学部件设置在相应壳体之内,使得当运动支架啮合时光学部件正确对准。在基座表面上设有一个运动支架(16),使得当基座与机器轴线对准时位于运动支架上的任何壳体与机器轴线自动对准,当用运动支架将壳体与基座连接并将壳体互相连接时系统的光学部件自动对准。
文档编号G01B11/00GK1388891SQ01802629
公开日2003年1月1日 申请日期2001年7月11日 优先权日2000年7月12日
发明者戴维·罗伯茨·姆克莫特瑞, 本杰明·罗勒·泰勒, 马克·阿德里安·文森特·查普曼 申请人:瑞尼斯豪公司