CN100549614C - 用于检测可在坐标轴上移动的滑架的空间位置的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于机床或者测量仪的装置(10)，用于参照构成为矩形板的与滑架(14)的导轨(12)平行延伸的标准件(24)，检测可在坐标轴上沿导轨(12)移动的滑架(14)的空间位置。标准件(24)的两个相对且相互平行的面(28，30)各自具有二维直线栅格。位置测量系统(20)用于连续确定可与滑架(14)固定连接的支架(22)的空间位置。位置测量系统具有三个光学增量式读数头(34，36，38)和一个距离传感器(40)。支架(22)这样设置在可移动滑架(14)上，使支架在整个移动行程上同时测量过程时不会与标准件(24)产生接触。通过将三个读数头(34，36，38)和距离传感器(40)设置在支架(22)上精确确定的位置上，可以确定支架以及与其连接的滑架(14)的位置和空间位置。

Description

用于检测可在坐标轴上移动的滑架的空间位置的装置

技术领域

本发明涉及用于机床或者测量仪的装置，其用于参照与滑架的导轨平行延伸的最好具有多边形横截面的棱形标准件，检测可在坐标轴上沿导轨移动的滑架的空间位置。

背景技术

在此方面，检测滑架空间位置的意思是说，不仅要检测在所要求的坐标方向上的第一运动，而且还要检测空间上刚体总共六个自由度方向上由于导向误差造成的其他所有微小运动。

DE 31 50 977 A1公开了检测和校正移动机床部件导向误差的方法和一种装置，其中，该装置相当于上述装置。在第一方法中，检测测量机重要的导向误差，并通过储存在机器计算机内的校正功能求出近似值。在后续的测量中，借助于校正功能对坐标测量装置有误差的结果进行修正。在第二方法中，在测量机的移动部件上固定辅助测量装置，测量到在移动方向上延伸的参照线的距离。利用这些测量装置连续检测测量过程期间的导向误差。测量机的计算机利用辅助测量装置的输出信号，校正坐标测量装置有误差的结果。在第三方法中，机床现有的导轨面作为参照线，以减少费用，并将通过对线性标准件测量一次检测的偏差以近似值的形式进行储存，并用于对辅助测量装置的测量值进行持续校正。在将两种最先提到的方法组合的该第三方法中，辅助度规的顶端在导轨面上滑动。为实施两种最先提到的方法，使用与滑架的导轨平行延伸的棱形标准件。该标准件在第一和第二平面上具有直线栅格，其中一个为二维的。位置测量系统用于检测与滑架固定连接的支架的空间位置，支架上装有读数头并在标准件上移动。读数头或者支架为此直接安装在标准件的表面上。测量座标上的移动并同时检测所有导向误差影响的这种测量系统，例如适合于安装在需要明显提高定位精度的测量机或者加工机床的导轨上。在第一方法中假设，导向误差不变，可以一次测出并作为近似值储存，在以后的测量中加以考虑。在第二方法中连续测量导向误差，但由于费用较高，只能测量重要的导向误差。第三方法要求使用近似值和持续校正辅助测量装置的测量值。在各种情况下，标准件均作为支架的机械导轨使用，这在原则上是缺陷。

DE 43 45 094 C2公开了一种形状误差测量机，具有与机床的导轨装置和调整装置分开的参照系，用于导轨的轨迹校正，参照系包括尺寸精确的长标准件，与移动滑架的各坐标轴平行设置，并可连续扫描可在导轨装置上移动的部件。参照系不承受很大的力，因此其几何形状可以长时间保持稳定并很少取决于温度。虽然这种公开的形状误差测量机特点是移动滑架良好的导向特性，然而费用可观，确切地说，无论是在仪器制造费用方面还是测量技术费用方面。即参照系由各自在横截面上构成矩形成型轨的三个标准件组成，它们在两个相邻的侧面上具有扫描轨。第一标准件支承在床身上。第二标准件固定在立柱的端面上。此外在一端上具有角铁，与第一标准件的扫描轨搭接，从而第二标准件与第一标准件连接。与此相应，第三标准件与第二标准件连接。在三个标准件之间的两个连接部位上，各自具有多个传感器，按位置和方向检测连接部位上两个标准件之间的相对运动。传感器通到计算机，后者从中为测量结果或者为接触部件的空间位置计算出相应的校正值。通过这种结构据称可以使这种公开的形状误差测量机取得比带有极其刚性床身的形状误差测量机更好的动态性能和更短的拆装时间和测量时间，后者的床身通常由花岗岩制成，上面通过移动滑架支承或者实心结构的或者沉重的铸造结构或者钢焊接结构的立柱。

WO 99/17073公开了一种装置，用于检测两个物体在第一二维移动的基本运动时相对运动的六个成分。物体为具有二维栅格刻度的板和一个元件，该元件具有与板平行的平面和作为读数头的多个栅格。该元件这样接近板，使栅格通过对反射光强度变化的分析，检测X-和Y-方向上与板平行的相对移动。为检测元件和板之间的距离，至少具有三个距离检测装置，它们为电容式，感应式或者作为度规构成。为检测在坐标轴上沿导轨移动滑架的空间位置，也就是检测第一一维运动，这种公开的装置不太适用，因为它费用太高。

GB 2 034 880 A公开了一种装置，同样专门用于实施二维的线性测量。为此，二维导轨上的滑座还可在基面上移动。所要测量的物体可安装在滑座的一个平面上。平面的底面具有由彼此直角设置的平行线构成的第一栅格。平面的上面设置试探器。在滑座下面的基面上设置两个读数头，以检测滑座在两个垂直方向上的运动。这种公开的装置由于其结构，也不适用于机床或者测量仪上坐标轴中沿导轨移动滑架的空间位置。

DE 43 08 456 C2公开了一种装置，它为检测定位体相对于棱形参照体的位置，根据参照体检测定位体的六个自由度。参照体在两个彼此直角设置的一个面上具有两个比例尺，在另一个面上具有一个比例尺。三个比例尺作为CCD-行形式的光扫描器构成。定位体具有与三个比例尺对应的三个投影机。每个投影机发射三个发散光平面，它们相交于投影中心，每三个光标投射到比例尺上。从比例尺上各光标的位置中，可以计算出投影中心沿参照体的空间位置及其到参考体相应面的距离。通过这些测量值确定定位体在其相对于参照体的六个自由度上的位置。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种上述类型的装置，通过连续直接检测相应滑架的空间位置，使机床或者测量仪的线性轴上的几何误差不会产生影响，其中，该装置应可以与机床结构或者测量仪结构为一整体。

该目的依据本发明通过一种用于机床或者测量仪的装置得以实现，其用于参照与滑架的导轨平行延伸的棱形标准件，检测可在坐标轴上沿导轨移动的滑架的空间位置。标准件至少在第一和第二面上具有直线栅格，其中至少一个直线栅格为二维的。具有位置测量系统，用于确定可与滑架固定连接的或者与滑架为整体的支架的空间位置。标准件的第一和第二面具有二维直线栅格。位置测量系统为检测标准件的直线栅格，具有：第一读数头和相距的第二读数头，它们设置在支架上并与二维直线栅格的第一直线栅格对应；设置在支架上的第三读数头，它与二维直线栅格的第二直线栅格对应；以及距离传感器，用于检测支架和具有二维直线栅格的面之一或者一个与所述具有二维直线栅格的面平行的面之间的距离；其中，支架这样设置在滑架上，使支架在测量过程中不会与标准件产生接触。

在依据本发明的装置中，标准件的第一和第二面具有二维直线栅格，可由为此具有三个相距的读数头和一个距离传感器的位置测量系统检测，其中，支架这样设置在可移动滑架上，使支架在整个移动行程上和同时的检测过程中不会与标准件产生接触。由于这种特征，与滑架的机械导轨质量和相关坐标轴的可重复性无关，通过与该装置成为整体的位置测量系统便可达到以下目的：例如，如果滑架具有测量按键，可以在每个时间点上确定其相对于坐标原点，因此也是相对于测量对象的精确位置，从而减少测量仪的测量误差。如果滑架具有一般具有与滑架距离更大的工具，可以更精确地调整工具相对于工件的给定位置。可精确调整性的原因在于，滑架运动中即使最微小的变化也会增加对工具的影响。通过装置与机床结构或者测量仪结构的整体化，在测量结构中考虑静态或者动态几何误差。特别是通过支架与标准件不产生接触也提高了定位精确性。与WO 99/17073公开的装置相比，依据本发明的装置与机床或者测量仪的整体化由此实现，即不是要求扁平的标准件和与此平行的平面，其相互位置通过一个三维效果的读数头和三个距离传感器来检测，而是为确定可与滑架固定连接的或者与滑架成为整体的支架的空间位置，具有三个读数头和一个距离传感器，检测一个标准件两个面上的二维直线栅格或标准件和支架之间的距离，从而可以检测可在坐标轴上沿导轨移动的滑架的空间位置。

在依据本发明的装置中，标准件不作为位置测量系统的导轨使用，从而避免了由于接触引起的可能影响测量结果的力。标准件根据受力与机床或者测量仪完全分开，并因此没有轴承力和导轨力。因此，不管滑架的导轨是否存在何种程度的缺陷，通过位置测量系统获得的测量结果始终反映出支架参照标准件的实际位置。滑架的轨迹偏差就这样直接消失在测量过程中。

在依据本发明的装置中，标准件如根据DE 43 08 456 C2的装置的棱形参照体一样，在两面上具有直线栅格形式的比例尺，但是它们是二维构成的，其中对应的读数头仅提供长度值，附加的距离传感器提供距离测量值。然后可以从长度值和距离测量值中计算出滑架或者定位体的六个自由度的参数。

依据本发明装置具有优点的构成为从属权利要求的主题。

在依据本发明装置的一构成中，如果第一和第二面为标准件的两个彼此相对的，相互平行的侧面，那么标准件可以是在横截面为矩形的，纵向延伸的线性体。支架和与其连接的滑架参照标准件的位置和空间位置因此可以按照特别简单的方式检测。

在依据本发明的另一构成中，如果第一和第二面为标准件的一个侧面和一个与该侧面成角度的端面，那么支架可以具有一种结构，它在某种用途上比上述依据本发明装置的构成中，将直线栅格设置在两个相对的相互平行面上的情况更有针对性。

在依据本发明装置的另一构成中，如果距离传感器参照支架上的读数头设置在确定位置上，那么它可以确定其在与坐标轴成直角的方向上到具有直线栅格的面之一的距离。通过读数头和距离传感器设置在支架上精确确定的位置上，可以重复确定支架和与其连接的滑架的位置和空间位置。

在依据本发明装置的另一构成中，如果标准件和支架由恒温材料构成，那么可以消除温度对位置测量系统测量精度的影响。

在依据本发明装置的另一构成中，如果标准件设置在构成滑架导轨的两个相距纵导轨之间，那么标准件可以这样支承在机床或者测量仪沿坐标轴设置的支架上，从而根据这里所使用的测量值接收方式，同时检测立柱以及滑架导轨的尺寸变化或者位置。适合依据本发明装置的至少这种构成使用的公知的测量仪为在VerzahnungsmesszentrenKlingelnberg公司2002年编号为1353/D/IO的产品说明书中推荐和介绍的Verzahnungsmesszentren Klingelnberg P 65/P 100。

在依据本发明装置的另一构成中，如果标准件为纵向延伸的矩形板，那么它可以这样确定尺寸，使它可以设置在滑架的相距纵导轨之间与导轨相同的高度上或者前移。

在依据本发明装置的另一构成中，如果支架在横截面上为U形，并在其两个U形柱上具有第一和第二或第三读数头，那么支架特别适合这样固定在滑架上，使读数头可以检测标准件的两个相对的相互平行面上的二维直线栅格。

在依据本发明装置的另一构成中，如果支架为角造型件，并在其两个柱上具有第一和第二或第三读数头，那么位置测量系统特别适合检测标准件在两个彼此成角度面上具有的直线栅格。

在依据本发明装置的另一构成中，如果第三读数头这样设置在支架上，使它参照标准件的纵向延伸，在与第一或者第二读数头相同的高度上处于其对面，那么两个读数头可以检测其在相对于标准件各自相对设置的相交栅格组织坐标轴方向上和与此成直角方向上的位置。三个读数头可以检测支架环绕坐标轴和环绕两个与该坐标轴成拉伸角的其他坐标轴的倒相。

附图说明

下面借助附图对本发明的实施例作详细说明。其中：

图1示出依据本发明的装置的第一实施例，其位置测量系统支承标准件，其在两个相对的相互平行的面上具有二维直线栅格；

图2示出依据本发明的装置的第二实施例，其位置测量系统支承标准件，其在两个彼此成角度的面上具有二维直线栅格。

具体实施方式

图1示出用于机床或者测量仪的整体采用10标注的装置，用于检测可在坐标轴方向上沿整体采用12标注的导轨移动的滑架14的空间位置。在所示的实施例中，坐标轴是图1上部所示的直角XYZ-坐标系的Z-轴。该图示出刚体具有的六个运动自由度，即三个移动自由度X，Y和Z和三个旋转自由度A，B和C。物体的空间位置通过这六个自由度完全描述出来。在这里所述情况下所要检测空间位置的物体为滑架14。滑架14具有在Z-方向上突起的运动坐标。要检测包括Z-方向在内的六个自由度方向上所有运动成分的运动。在具有装置10的机床或者测量仪中，这里仅示出一个Z-立柱16，它作为刚性的，抗扭转的，纵向延伸的空腔体构成。滑架14的导轨12由两个与Z-轴垂直相距的纵导轨12`，12``构成。滑架14具有两个平行的纵槽，可移动接受纵导轨12`或12``，还支承例如3D-按键系统，在这里，该系统与设置在Z-立柱16下面的，可移动该立柱的滑架一样，出于概览的原因而省略，因为这些细节对理解本发明没有必要。出于同样原因，滑架14的驱动系统也没有示出。

为检测滑架14的空间位置，使用整体采用20标注的位置测量系统，利用该系统可以在参照棱形标准件24的情况下，确定通过角铁19与滑架14固定连接的支架22的空间位置，该标准件与滑架14的导轨12平行延伸并具有多边形横截面，在所示的实施例中为矩形横截面。标准件24与Z-轴平行和与滑架14平行，分别设置在与Z-立柱16和与滑架14的固定距离内。在所示的实施例中，标准件24为纵向延伸的矩形板，它在上面通过角铁25与Z-立柱16固定连接，下面通过两个角铁27a，27b与底板26可移动连接。底板26与Z-立柱16固定连接。标准件24由恒温材料构成，以尽可能消除温度对检测滑架14空间位置的影响。同样，底板26也可以由恒温材料构成。这里作为固定和移动连接介绍的角铁19，25或27a，27b仅用于说明，实践中可以由完全不同结构但等效的装置组成。

标准件24在第一面，这里为侧面28上和在第二面，这里为侧面30上，分别具有二维直线栅格29或31。第一和第二面因此在这里是构成标准件24的纵向延伸矩形板纵侧面外的两个相对且相互平行的侧面。

位置测量系统20为检测标准件24的直线栅格29，31而具有

-第一读数头34和在其下面垂直相距的第二读数头36，这两个读数头设置在支架22上并与第一直线栅格29对应，

-设置在支架22上的第三读数头38，它与第二直线栅格31对应，以及

-距离传感器40，用于检测支架22和标准件24具有第一直线栅格29的侧面28或者任何一个与其平行的面之间的距离。

在此方面，支架22这样设置在滑架14上，使无论是支架还是读数头34，36，38或者距离传感器40，在任何部位上均不会与标准件24产生接触。第三读数头38最好这样设置在支架22上，使它参照标准件24的纵向延伸，在与第一读数头34相同的高度上处于其对面。第二读数头36这样垂直相距设置在读数头34的下面，使三个读数头在通过标准件24的纵断面的包含Z-轴的平面内，处于一个直角三角形的角内。与此相关，距离传感器40设置在支架22上一确定的位置上，即尽可能靠近第一读数头34。支架22在横截面上(也就是与Z-轴垂直)为U形，并在其两个U形柱22`，22``上具有第一读数头34或第三读数头38。U形柱22`在此方面这样垂直向下延伸，使第二读数头36为精确测量与第一读数头34保持足够的距离。读数头34，36，38为增量式光学读数头。距离传感器40最好是电容式传感器，但也可以是感应式或者光学传感器。二维直线栅格29，31分别为正交栅格组织。标准件24最好是玻璃体(

)，但也可以是恒温的

-钢体，但在设置正交栅格组织方面效果不如玻璃好。

在图1示出的实施例中，支架22固定在滑架14的正面，最好也由恒温材料构成。作为其替代，支架22也可以是滑架14的整体组成部分。

图1示出的装置的工作方式如下：

带有读数头34，36，38和距离传感器40的支架随着滑架14沿标准件24运动，而不与后者接触。读数头34和38检测其在Z-和Y-方向上相对于标准件24各自相对设置的直线栅格29或31的位置。读数头36仅检测其在Y-方向上相对于标准件24的右侧上的栅格29的位置。距离传感器40检测其在X-方向上到标准件24右侧上的侧面28的距离。通过将三个读数头34，36，38和距离传感器40参照支架22上读数头设置在精确确定的位置上，可以确定支架22和与其连接的滑架14相对于标准件24的位置和空间位置，也就是说，支架22以及滑架14运动的总计六个移动的和旋转的成分X，Y和Z或A，B和C。

图2示出带有可选择的位置测量系统21的整体采用10标注的装置的第二实施例。在此方面，标准件24具有二维直线栅格29或31的第一和第二面是侧面28或与其成角度的端面32。第三读数头38与端面32的直线栅格31对应。与第三读数头38相邻在支架23上具有距离传感器40，支架为角造型件，在其两个肘形柱23`，23``上具有第一和第二读数头34，36或第三读数头38。与位置测量系统20相比，位置测量系统21除了上述不同的结构外，与位置测量系统21对应的装置10具有与图1所示的装置10相同的结构和相同的工作方式，因此不需赘述。

参考符号表

10装置

12导轨

12`，12``纵导轨

14滑架

16Z-支柱

19肘形件

20位置测量系统

21位置测量系统

22支架

22`，22``U形柱

23支架

23`，23``肘形柱

24标准件

25肘形件

26底板

27a，27b角铁

28侧面

29二维直线栅格

30侧面

31二维直线栅格

32端面

34第一读数头

36第二读数头

38第三读数头

40距离传感器

Claims (11)

1.用于机床或者测量仪的装置，用于参照与滑架(14)的导轨平行延伸的棱形标准件(24)，检测可在坐标轴上沿导轨移动的滑架(14)的空间位置，

其中，具有位置测量系统(20)，用于确定可与滑架(14)固定连接的或者与滑架为整体的支架(22；23)的空间位置；

其中，标准件(24)的第一和第二面(28，30；28，32)具有二维直线栅格(29，31)；

其中，位置测量系统(20)为了检测所述标准件(24)的直线栅格(29，31)而具有：

第一读数头(34)和相距的第二读数头(36)，它们设置在支架(22；23)上并与二维直线栅格(29；31)的第一直线栅格(29)对应，

设置在支架(22；23)上的第三读数头(38)，它与二维直线栅格(29，31)的第二直线栅格(31)对应，以及

距离传感器(40)，用于检测支架(22；23)和具有二维直线栅格(29，31)的面(28，30；28，32)之一(28)或者一个与所述具有二维直线栅格的面平行的面之间的距离，以及

其中，支架(22；23)这样设置在滑架(14)上，使支架(22；23)在测量过程中不会与标准件(24)产生接触。

2.按权利要求1所述的装置，其中，第一和第二面(28，30)为标准件(24)的两个彼此相对且相互平行的侧面(28，30)。

3.按权利要求1所述的装置，其中，第一和第二面(28，32)为标准件(24)的一个侧面(28)和一个与该侧面成角度的端面(32)。

4.按权利要求1-3之一所述的装置，其中，距离传感器(40)参照支架(22；23)上的读数头，设置在一确定的位置上。

5.按权利要求1所述的装置，其中，标准件(24)由恒温材料构成。

6.按权利要求1所述的装置，其中，支架(22；23)由恒温材料构成。

7.按权利要求1所述的装置，其中，标准件(24)设置在构成滑架(14)的导轨(12)的两个相距的纵导轨(12`，12``)之间。

8.按权利要求1所述的装置，其中，标准件(24)为一纵向延伸的矩形板。

9.按权利要求2或8所述的装置，其中，支架(22)在横截面上为U形，并在其两个U形柱(22`，22``)上具有第一和第二或第三读数头(34，36或38)。

10.按权利要求3或8所述的装置，其中，支架(23)为一角造型件，并在其两个肘形柱(23`，23``)上具有第一和第二或第三读数头(34，36或38)。

11.按权利要求1所述的装置，其中，第三读数头(38)这样设置在支架(22；23)上，使它参照标准件(24)的纵向延伸，在与第一或者第二读数头(34，36)相同的高度上处于其对面。

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