校准装置和方法与流程

数控机床广泛地在制造行业中用于切割零件，诸如用于汽车、飞机的金属零件等。为了高准确度(例如，达到几微米之内)地切割特征，有必要对这样的机床进行校准。在使用五轴机床时尤其是如此，在五轴机床中，在切割过程期间零件相对于切割工具的取向被改变。

尤其对于五轴机床而言，典型校准程序的关键部分在于建立校准球体的中心相对于机床原始位置的位置。一旦建立，该球体中心就可以充当随后所有校准程序所基于的机床基准点。

已知的是，使用刻度盘测试指示器或安装在机床的主轴中的触摸探针来在平行于机床的床的平面(典型地被称为xy平面)中建立球体中心位置。沿着垂直于机床的床的轴线(通常被称为z轴)来测量球体中心位置是更加复杂的、并且迄今为止仅能使用各种手动程序来实现。例如，已知的是，在手动控制下将已知长度的参照工具沿着z轴朝向校准球体移动。使参照工具朝向球体前进，直到已知厚度的量块恰好“夹在”参照工具与球体之间。这样的手动程序可能是不精确的，并且已经发现校准的结果因操作者而异。

de29720584描述了一种用于测量工具的长度和直径的工具设定装置。ep2390622描述了一种用于对机床进行校准的设备，该设备包括三个间隔开的换能器，以用于测量由被固持在机床的主轴中的杆所携带的球的位置。

本发明的第一方面提供一种用于机床的校准装置，该校准装置包括：可附接到机床的基部；具有一个或多个已知尺寸的校准制品；偏转机构，该偏转机构将该校准制品附接到该基部、并且当向该校准制品施加外力时，该偏转机构允许该校准制品相对于该基部移动，在不存在经施加的外力的情况下，该偏转机构还将该校准制品保持在相对于该基部的经限定的停置位置中；以及用于感测该校准制品相对于该基部的移动程度的传感器。

因此，本发明提供了一种用于在对机床进行校准时使用的校准装置。该装置包括可附接到机床的基部；例如，该基部可以被拴到机床的床或被磁性地紧固到机床的床。校准制品(诸如已知半径的球体)经由偏转机构附接到该基部。在不存在外力的情况下，该偏转机构将该校准制品相对于该基部保持在已知且可重复的位置中。如果向校准制品施加足够大的外力(例如，大于某个幅度的力)，则该偏转机构准许校准制品相对于该基部移动。该传感器测量该校准制品相对于该基部的任何这样的移动的程度。例如，该传感器可以输出描述该校准制品已经从其经限定的停置位置移动了多远的数据流。

本发明的校准装置有利地用作机床校准过程的一部分。本发明的装置可以执行与经刚性地安装的校准球体相同的功能；即，可以使用处于球体形式的校准制品来限定用于各种各样基于测量探针的校准程序中的参照或基准位置(例如，球体中心点处)。然而，使校准制品偏转(例如，使用安装在机床主轴中的具有已知长度的参照工具)以及测量偏转程度(即，使用传感器)的能力具有的优点是，可以准确地找到校准制品的停置位置。例如，如果该校准装置包括呈校准球体形式的校准制品，则在参照工具被驱动进到校准球体中并使该校准球体偏转时，可以使用自动化程序、使用由传感器测得的偏转来找到球体中心z-位置。这避免了需要使用上述手动过程，在该手动过程中，使参照工具朝向经固定的球体前进，直到已知厚度的量块被恰好“夹在”参照工具与球体之间。

因此，本发明的校准装置准许实现自动化校准，这种自动化校准不仅提供提高的准确度而且消除了在不同工程师使用校准量块来执行相同手动校准过程时可能发生的变化。

应注意的是，本发明的校准装置具有不同于de29720584(上文提及的)中所描述类型的工具设定器的结构、并且也用于相当不同的目的。被设置在de29720584的工具设定器的顶部和侧面上的可偏转的工具设定圆盘(即，图1中示出的圆盘9和圆盘19)并非校准制品，因为它们不具有已知的(即，经校准的)大小。因此，de29720584的工具设定器允许测量工具的长度或直径、但不允许建立可以随后用于机床校准的任何种类的参照位置或基准位置。

本发明的校准装置还具有优于ep2390622的设备的若干优点。具体地，ep2390622的装置的制造、配置和使用都很复杂。具有安装至其远端处的球体的专用参照工具同样被需要。相反，本发明的校准装置能够实现更简单且更容易使用的校准技术。

本发明的装置可以包括任何适合的校准制品。校准制品是具有一个或多个已知尺寸的任何制品(即，该校准制品具有已知大小)。例如，可以通过先前对经校准的标准物的测量而得知该制品的一个或多个尺寸。例如，该制品的一个或多个尺寸可以之前就在坐标测量机(cmm)上测得，该坐标测量机是根据相关的(国家的或国际的)校准标准进行校准的。该校准制品可以包括立方体、(例如，具有已知的半径的)圆盘、或部分球体等。

有利地，该校准制品包括球体。该球体可以具有已知的半径。为简单和准确起见，优选已知半径的球体，因为这样有可能通过测量球体表面上的多个点的位置来确定球体中心的位置(例如，x、y、z坐标)。

校准制品可以经由偏转机构以任何适合的方式被附接到基部。校准制品可以与基部间隔开一定距离，该距离确保基部尽可能少地干扰校准制品的测量。有利的是，校准制品被附接到从基部伸出的杆。例如，校准球体可以被附接到从基部延伸出来的杆的远端。

偏转机构确保在不存在外力的情况下，校准制品采取相对于基部的经限定的停置位置。换言之，校准制品可以相对于基部偏转，但每次偏转力被去除时，校准制品就返回至相对于基部的相同位置。为此目的，可以使用任何适合的偏置机构，即，主动的或被动的。有利的是，偏转机构包括弹簧，以用于将校准制品偏置到经限定的停置位置。也可以使用多个弹簧。(这些)弹簧可以是任何适合的类型，例如，螺旋弹簧、板弹簧等。

优选地，当测量探针正在测量校准制品的位置时，校准制品被如下的力偏置到经限定的停置位置中，这个力(例如，弹簧力)大到足以阻止校准制品相对于主体偏转。因此，当校准制品被测量探针等触摸时，其优选地保持在停置位置中。适宜地，将校准制品偏置到经限定的停置位置的力大于在使用测量探针测量校准制品表面上的点的过程期间向校准制品所施加的力。在此应注意的是，在测量期间由测量探针(诸如接触触发式探针)所施加的力相对地小(例如，10牛顿的量级)。偏转机构可以施加足够的力，以确保无论该装置的取向如何，校准制品在正常的探测活动期间都不偏离经限定的停置位置。换言之，优选地，该装置可以以任何需要的取向(例如竖直地、水平地、上下倒置地)被使用(并且被探针测量)。

偏转机构优选地具有互补的接合特征，该接合特征在被接合时限定了可重复位置。例如，球可以接合用于限定凹陷的多个特征。该可重复位置可以是运动学限定的(例如，使得这些互补特征之间的至少五个运动自由度、或优选地六个运动自由度受到约束)。有利地，偏转机构包括被附接到校准制品的第一部分和被附接到主体的第二部分。该第一部分和第二部分可以被配置成使得其接合时采用相对于彼此可重复的位置。例如，第一部分可以包括球，而第二部分可以包括用于接纳球的座。替代性地，可以采用精确的线性轴承和末端止动件。第一部分和第二部分可以来限定运动学或伪运动学的连接或结合。

校准制品可以相对于主体在多个方向上自由地偏转。例如，校准制品能够沿着x轴、y轴和z轴进行移动。优选地，校准制品被约束为相对于主体沿着单一线性轴线进行移动。换言之，该附接机构优选地仅准许校准制品相对于主体的线性运动。

该传感器可以感测沿着校准制品相对于主体的某些或所有运动方向的运动。如果仅准许线性运动，则可以提供单轴移位传感器。例如，该传感器可以包括用于测量线性运动的换能器(例如，线性换能器)。

该传感器进行的测量可以以任何适合的方式的输出。例如，可以使用电缆来载送测量数据。有利地，提供无线发送器来发送由该传感器得到的测量结果。该无线发送器可以提供光学传输。方便地，该无线发送器是射频发送器(例如，蓝牙发送器)。该装置还可以被布置成在相同的无线链路上接收信息。测量结果可以在进行测量时、或之后不久被输出。替代性地，可以由该装置来获取、存储并且随后输出一系列测量结果。

除了传感器，该装置还可以包括额外的感测机构，该感测机构提供保护机床免受损坏的安全或备用功能。例如，可以提供使机床停止移动的微开关(例如，在无线系统发生故障或者未开启的情况下)。这样的限位开关可以是任何适当类型的。

该装置的基部是可附接到机床的。例如，基部可以被配置成附接到机床的床或工作台。这可以经由螺栓孔、磁体等来实现。优选地，基部可以固定不动地且可释放地被紧固至机床上。可以提供覆盖件以在不使用时保护该装置。

本发明还涉及一种套件，该套件包括上述装置以及用于安装在机床的主轴中的参照工具。该套件还可以或替代性地包括测量探针。该测量探针可以是用于安装在机床的主轴中的主轴探针。

本发明的第二方面提供了一种使用根据第一方面的校准装置的方法。该方法优选地包括将该校准装置安装到机床、例如安装到通常放置待测量物体的机床工作台的步骤。一旦被安装到机床，该装置就可以用作校准程序的一部分。便利地，该方法包括将由机床的主轴固持的参照工具移动成与校准装置的校准制品相接触。这种接触可以导致校准制品发生偏转。还可以执行测量校准制品的位置的步骤。可以使用校准制品的偏转来测量其位置。

在优选实施例中，校准装置的校准制品包括球体。于是，该方法可以包括对该球体的中心位置进行测量。例如，可以测量球体中心在一条轴线上的位置(例如，球体中心的z-位置)。如上文解释的，这可以使用自动化测量程序来完成。该方法可以结合基于测量探针的校准方法(例如结合wo2015/162431中描述的探针上探针(probe-on-probe)校准方法)来执行。

本文还描述了一种校准装置，该校准装置包括制品、主体以及用于测量制品相对于主体的移动的传感器。该制品可以是校准制品(即，具有一个或多个已知尺寸的制品)。该制品可以包括球体。可以提供约束校准制品相对于本体的运动的机构。例如，校准制品可以被约束为相对于主体沿着单一线性轴线来移动。主体可以被配置成附接到机床；例如，它可以是可附接到机床的工作台或床的。该传感器可以测量该制品相对于主体的运动的程度；即，该传感器可以产生随着该制品相对于主体的位置而变化的输出。该装置可以具有上文结合本发明的第一发明和第二发明所描述的、或下文针对特定实施例描述的特征中的任何一个或多个。

现在将仅通过举例、参考附图来描述本发明，在附图中：

图1示出了多轴机床，

图2示出了现有技术的基于校准球体的技术，

图3示出了本发明的校准装置，

图4示出了可以如何通过外推法来确定球体z-高度，

图5示出了由换能器检测到的球体移动随时间的示例曲线图，并且

图6示出了可以如何通过向后外推至“停置处”的已知参考高度来确定球体z-高度。

图1展示了多轴机床。该机床包括可以绕典型地被称为c-轴的轴线高速旋转的主轴2。主轴2包括楔形安装件6，其用于接纳切割工具4或其他配件(诸如，测量探针)的楔形柄杆6；这允许在需要时将工具和配件装载到主轴2中。主轴2可以通过机床而沿着三条线性轴线来在空间中移动；这些机床轴线通常被称为x轴、y轴和z轴。提供了在其上安装工件12的工作台10。工作台10可以关于a-轴倾斜并且还可以绕b-轴旋转。

在切割期间，切割工具4绕c-轴以高速旋转，并且机床控制器遵循在切割程序中所限定的指令列表，从而沿着期望的切割路径并相对于工件12来移动工具4。切割路径可以包括主轴沿着x轴、y轴和z轴的平移运动、以及主轴绕a轴和b轴的旋转运动。为了从工件上去除所需的材料，可以看出，甚至在发生绕a和b轴的旋转运动时，都必须非常准确地知道工具尖端相对于工件的位置。因此，这些年来已经开发出各种各样的技术和装置来执行这样的校准。

如本领域技术人员熟知的，许多自动化机床校准技术都涉及使用主轴安装式测量探针来对安装至机床的床上的校准球体(即，已知半径的球体)进行各种测量。这些测量通常依赖于高准确度地了解校准球体的中心相对于机床原始位置(例如x、y、z机床坐标系的原点)的位置。因此，这些年来已经开发出各种各样的技术来精确地测量球体中心位置。

参照图2来描述一种使得可以确定安装至机床的床上的校准球体20的中心的位置的现有技术。该球体可以被固定到基部或机床内的通常放置工件的另一结构上。因此，该球体可以安装到机床的工作表面上，该工作表面可以包括机床的一个或多个旋转轴。

首先，应注意的是，已知有多项技术都允许高准确度地建立校准球体的xy位置。例如，可以将刻度盘测试指示器(dti)安装到该球体的赤道附近的机床的主轴中并且使用其来“纪录”校准球体20的直径。这典型地通过轻推(即，在手动控制下来移动)x和y位置直到当主轴旋转时刻度盘指示器也不偏转来完成。当实现这点时，主轴的xy位置就是球体的中心位置。

还已知使用被安装在机床的主轴中的接触触发式探针来测量xy球体中心位置。将主轴旋转位置(即，绕c-轴的旋转角度)定向为零度，并且测量球体中心并且记录球体中心的xy位置。然后将主轴旋转180°，并且重新测量球体中心的xy位置。将测得的这两个xy球体中心位置之间的平均值用作中心位置；即，消除了接触探针球形触针相对于主轴的旋转中心进行偏心安装所导致的任何误差。

虽然上述技术允许找到xy球体中心位置，但这些技术典型地不能足够准确地为四轴机床或五轴机床建立球体的z位置。因此，多项单独的技术被知晓且用于确定球体的z-位置。

图2中展示了最常用的技术并且其涉及使用所谓的塞尺量块24。具有已知的、经校准的长度的参照工具22被装载到机床的主轴中。移动该主轴，以使得参照工具22被定位在球体20的上冲程死点(topdeadcentre)的上方。塞尺或量块24被定位在参照工具22的末端与球体20之间。使用机床的手动“轻推”功能，使工具手动地向下移动直到量块24恰好“夹在”参照工具22与球体20之间。这个手动过程需要工程师去“感受”何时量规可以自由移动、但不存在游隙或间隙空隙。当实现这点时，使用当前机器位置、工具长度和经校准球体半径来计算球体的中心z位置。

还已知的是使用定制的长度设定装置来设定z-位置。被称为base-master的装置由英国阿尼克的计量软件产品有限公司(metrologysoftwareproductslimited)提供，该装置包括可重复单向指示器。该指示器被安装到机床的主轴中并且被定位在球体的xy中心的上方。使用机床的轻推控制来使主轴向下移动，直到base-master恰好与球体的顶端相接触，这样的接触由安装在base-master装置上的led指示。然后，使用base-master的(已知)长度、当前z-位置和球体半径来计算球体在z-轴上的中心。

用于确定球体的z-位置的上述技术全都需要手动干预，否则就是自动化校准程序。这需要熟练的校准工程师(而不是机床操作者)来执行该程序，并且已经发现，当不同的工程师执行同一程序时可能出现校准误差的显著变化。

参照图3，将描述本发明的允许准确确定校准球体32的中心的校准装置30以及相关方法。

校准装置30包括安装到轴34的远端的校准球体32。校准球体32以及轴34的一部分从被配置用于附接至机床的工作台或床38上的装置主体或基部36伸出。定位球体40被附接到轴34的近端上并且被容纳在基部36内。定位球体40被弹簧42推到与座44相接触。定位球体40和座44被安排成当它们被推到彼此接触时相对于彼此采取准确且可重复的位置。在这个实例中，座44和定位球体40提供了可重复的结合，但还可以使用替代性的可重复结合。定位球体40、座44与弹簧42的这种安排提供了将校准球体32安装至基部36上的偏转机构。

轴34延伸穿过被限定在基部36内的细长孔口，该细长孔口具有约束轴34的横向运动的侧壁45。因此可以看出，沿着z-轴向校准球体32施加的力致使定位球体40推挤弹簧42。如果施加了足够的力，则弹簧力被克服并且定位球体40与座44脱接合，由此导致校准球体32、轴34和定位球体40的线性平移(沿着z-轴)。由弹簧42所施加的力被设定为足够高，以使得当施加了典型地为了使用接触触发式测量探针来测量球体位置而需要的力时，不存在校准球体32的平移。在基部36内提供了线性换能器46，以用于测量这样的线性平移量，并且来自换能器的测量值经由无线蓝牙发送器48输出，但是发送数据的替代性方式是可能的。

在使用中，装置30被紧固到机床的床38(例如，使用螺栓或磁性夹紧力)，其中轴34的细长轴与机床的z-轴对准。接着，可选地使用主轴安装式接触触发式测量探针来“大致地”定位校准球体32的中心位置。在机床的主轴中装载了已知长度的参照工具50。

然后，使用被编程到机床的数字控制器中的基于标准宏程序的命令来执行以下测量过程。首先，将参照工具50定位在球体32的上冲程死点的上方。然后，调用nc-宏程序以触发“开始球体寻找”过程；这个程序向外部控制器指示：参照工具50准备好使用。接着，该控制器命令校准装置30“开启”，并且执行手抖动程序以确认这已经发生。

然后，将参照工具50朝向球体32(即，沿z轴向下)移动小的预限定距离，并且进行nc-宏调用来触发“球体位置读取”，其中，控制器读取当前的机器z-位置和来自校准装置30的换能器46的测得值。将这些前进步骤和读取步骤重复多次。这产生了一系列z-位置和对应的换能器值。

如图4所示，可以关于换能器读数t绘制出所记录的z位置。然后，可以使用线性外推法来计算球体的上冲程死点在零换能器偏转时的位置(即，当t指示球体处于其原始位置时z的值)。

上述方法需要双向通信。作为替代方案，可以仅使用来自该装置的单向输出，即从执行初始通电之后不久的阶段开始。接着，将参照工具50朝向球体32(即，沿z轴向下)移动小增量的预限定距离，同时每次移动之间存在小的延迟以允许机器完全停置，并使换能器测量达到恒定值。在这种类型的几次移动使球体成功地移动之后，取出参照工具50以允许球体32重新就坐回到可重复的“停置”位置。

贯穿这个过程，任何适当的系统(基于pc的软件、校准装置内的专用嵌入式装置、单独的嵌入式系统、或机床控制器自身)都可以存储换能器读数t。通过记录换能器测量值的这个流并在稍后在移动序列结束时进行处理，这个过程完全不受任何机床特异性同步机制的影响并且不需要定制以在特定类型的机床上使用。

图5示出了示例数据流，该示例数据流可以通过以z上的0.1单位增量来朝向球体移动，直到完成1.0单位的总移动来产生。球体的“停置”位置可以被确定为图形上的起点和终点(方向反转之后)平稳读数。起点处的长的平稳部分可能是由于机器在接触球体之前的移动，并且图形的每个平稳部分之间的持续时间变化可能是由于机床操作者超过机床的给送速度或可能是通信期间的可变时间延迟。技术的这个实施方案的关键优点在于，该方法不需要同步的时间读数、通信或移动。

图6示出，通过关于已知的z位置来绘制换能器测量结果的每个平稳区段的中心点(从接触时的最终已知位置向后做功)，可以接着使用线性外推法来计算球体的上冲程死点在零换能器偏转时的位置(即，当t指示球体处于其原始位置时z的值)。因此，上冲程死点球体中心位置、(已知)参照工具50的长度和(已知)校准球体的半径允许计算球体中心z-位置。然后，可以使用以上所描述的现有技术之一(例如基于接触触发式测量探针的技术)来测量球体32的中心的xy位置。

因此，上述装置和方法提供了用于测量球体的z-位置的自动化技术。当然，应注意的是，各轴线和坐标系的定义是任意的。虽然本文中已经使用了由本领域技术人员所使用的术语，但这不应以任何方式被视为限制本发明的范围。还应记住，存在许多类型的机床，并且本发明可以在除了本文所描述的机床之外的机床上实施。具体地，工件与切割工具之间的相对运动可以以许多不同的方式来实施(例如，工作台相对于固定位置的切割工具的平移、主轴关于一条或多条轴线的倾斜等)并且不影响与本发明相关联的益处。