计算机数控机床工作台和相关联探针的自动校准和补偿

摘要

本发明涉及计算机数控机床工作台和相关联探针的自动校准和补偿。提供了一种用于校准CNC机床的方法，包括将量规安装到CNC机床的工作台和对照安装在CNC机床上的量规校准探针。探针和从与CNC机床相关联的坐标系的名义工作台中心位置到实际工作台中心位置的总偏差被确定。一种可操作地连接到CNC机床和探针的控制器被编程，以补偿总偏差。

说明书

技术领域

本发明大体涉及CNC机床的校准，特别是涉及机床工作台和探针的校 准。

背景技术

计算机数控(CNC)机床常用于制造物品，所述物品需要使用机加工工 艺。坐标系用来将CNC机床编程用于机加工工艺，且坐标系的中心与CNC 机床工作台的中心点相关联。

为了使CNC加工生产率最大化，固定装置可以用于使每个零件与机床 工作台对齐。固定装置允许具有不同的定位和夹紧配置的零件在相同的机床 工作台中心处被加工。当固定装置被安装到工作台上，可能不会完美地对齐， 例如，由于碎片或其它定位误差。

为了防止因妥协的加工零件质量导致的安装误差，固定装置的确切定位 可以电子地探查，且结果可被涵盖在机床的操作偏移量(work offset)中。 然而，为了获得准确的探查结果，探针必须首先被校准。目前使用着校准探 针的几种方法。然而，每一个方法需要有经验的维护人员的工作去执行精确 的计算和复杂的过程。由此，使用这些方法的探针校准需要几小时的机床停 机时间。

发明内容

一种用于校准CNC机床的方法，包括将量规安装到CNC机床的工作台 和对照安装在工作台上的量规校准探针。确定探针和从与CNC机床相关联 的坐标系的名义工作台中心位置(position)到实际工作台中心位置的总偏差。 操作地连接到CNC机床和探针的控制器被编程，以补偿该总偏差。

一种用于对照安装在CNC机床上的量规校准探针的方法，包括用探针 关于量规的圆周测量多个点，和采用由探针测得的多个测量值计算量规的中 心点。

一种对照CNC机床的坐标系校准探针和CNC机床工作台中心的方法， 包括用探针在CNC机床的坐标系上测量第一实际量规位置。旋转CNC机床 的工作台，测量在第二实际量规位置处的在坐标系上的实际量规位置。探针 和实际机床工作台中心到名义机床工作台中心的总偏差使用第一和第二实 际量规位置来计算。操作地连接到CNC机床和探针的控制器被编程，以补 偿总偏差。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最 佳实施例和最佳模式的以下详细描述并连同附图显而易见。

附图说明

图1是CNC机床的一部分的局部示意透视图，该CNC机床具有探针， 在CNC机床的工作台上位于第一位置；

图2是用于图1的CNC机床的基部固定装置和坐标系的示意俯视图；

图3是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出确定与图1的CNC 机床一起使用的探针的中心的第一实施例；

图4是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出校准与图1的CNC 机床一起使用的探针的侧笔(stylus)的第一实施例；

图5是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出校准图1的CNC 机床的工作台中心的第一实施例；

图6是校准图1的探针和CNC机床的第一方法的示意流程图；

图7是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出校准与图1的CNC 机床一起使用的探针的直笔的第一实施例；

图8是CNC机床的一部分的局部示意透视图，其进一步示出校准与图 1和7的CNC机床一起使用的探针的直笔的第一实施例；

图9是图1的CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出利用经校 准的和经补偿的探针和机床工作台中心测量x-位点(location)的第一实施 例；

图10是图1和9的CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出利用 经校准的和经补偿的探针和机床工作台中心测量z-位点的第一实施例；及

图11是图1和9-10的CNC机床的一部分的局部示意透视图，其示出 利用经校准的和经补偿的探针和机床工作台中心测量y-位点的第一实施例。

具体实施方式

参考附图，其中，相同的附图标记贯穿多幅视图表示相同或相似的部件， 图1示出四轴线B旋转工作台CNC机床10的一部分的局部视图。CNC机 床10具有工作台12。基部固定装置14被安装到工作台12，坐标系16与工 作台12和基部固定装置14相关联。图2示意性地示出基部固定装置14的 俯视图，坐标系16显示在其上。

参考图1和2，探针18被操作地连接到CNC机床10。探针18具有侧 笔22和直笔20，用于测量与CNC机床10相关联的点位置。探针18可关 于心轴线54旋转，从而侧笔22和直笔20可以位于许多旋转位置，如下面 进一步详细描述的。球规24被安装到基部固定装置14，用于校准工作台12 和探针18。探针18能够从关于球规24的圆周的各个位点获得测量值。

探针18和工作台12被操作地连接到控制器26，以从探针18和工作台 12提供输入。控制器26还控制CNC机床10，其包括工作台12的旋转位置。 在示出的实施例中，CNC机床10关于B-轴线(在27示出)旋转。CNC机 床10的旋转由箭头28表示。

将坐标系16定心在名义工作台位置(X₀，Z₀)处，此位置是由用于CNC 机床10的控制器26所记录的中心位置。实际工作台中心(X₀₀，Z₀₀)偏离 名义工作台中心(X₀，Z₀)有距离(ΔTx，ΔTz)。除了在实际的工作台中心(X₀₀， Z₀₀)和名义工作台中心(X₀，Z₀)之间的工作台偏差(ΔTx，ΔTz)之外，探 针18未被校准。由此，由探针18进行的任何测量会从实际的被测量位置偏 离(Δx，Δz)的距离。

球规24位于工作台上第一位点(x，z)处。第一位点(x，z)可以是 坐标系16上的任何地方，且球规24不需要在特定位点被放置到工作台12 和基部固定装置14。当工作台12和探针18未被校准时，进行的任何测量将 包括从名义工作台中心(X₀，Z₀)到实际工作台中心(X₀₀，Z₀₀)的偏差 (ΔTx，ΔTz)，以及探针18的偏差(Δx，Δz)，特别是侧笔22的偏差，其当 测量球规24时被示出。除了探针18测量值的工作台偏差(Δx，Δz)之外， 对探针18的校准还可以考虑侧笔22和/或直笔20的挠曲，无论使用哪一个 进行测量。

参考图3-4，探针18对照球规24被校准。探针18首先使用侧笔22在 球规24周围测量多个位点。例如，侧笔22关于球规24的圆周测量四个位 点。图3示出探针18在球规24的圆周上、在第一位点处进行测量。关于球 规24的圆周进行附加的测量，如由探针在19和21处表示的，在虚线中示 出(关于球规24的多个位点的仅两个被示出)。使用这些圆周测量值，执行 了最小二乘法拟合计算，以确定位于在图2中的位置(x，z)处的球规24 的中心位点。由此，球规24的中心已被确定，且探针18的侧笔22此时对 照球规24被校准。

如上所述的，在一些实例中，还可以期望确定侧笔22的挠曲或推/拉偏 差。如果这是被期望的，那么探针18在球规24的圆周上测量两个相反的点， 如在图4所示的。第一被测位点由探针18示出，及第二被测位点由探针19 以虚线示出。将这两个相反的点与相对于如上面确定的球规24的中心的预 期测量点比较。在实际和预期测量值之间的均差(average difference)是探 针18的任何推/拉偏差的结果。探针18的推/拉偏差，是由于探针18的侧笔 22的挠曲(作为在探针18上的推或拉的结果)而发生的偏差。探针18的第 一挠曲偏差通过将测量值平均来计算。

探针18的侧笔22偏差(Δx，Δz)、和名义对实际工作台中心偏差 (ΔTx，ΔTz)彼此共线性(collinear)。由此，工作台12和探针18的侧笔22 的总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)必须仍被校准。

参考图1、2和5，侧笔22测量球规24的第一位点(x，z)。由于探针 18未对照工作台12校准、及在名义工作台中心(X₀，Z₀)和实际工作台中 心(X₀₀，Z₀₀)之间的差异，第一被测量球规24位置实际是(X₁，Z₁)。其 中第一被测量x-位点(X₁)等于球规24的实际x-位置(x)加上工作台中心 的x-偏差(ΔTx)、加上探针18的侧笔22的x-偏差(Δx)。同样地，第一被 测量z-位点(Z₁)等于球规24的实际z-位置(z)、加上工作台中心的z-偏 差(ΔTz)、加上探针18的z-偏差(Δz)。第一球规位置(X₁，Z₁)在关于工 作台轴线27的第一旋转位置B₁处(在图5中示出)被测量。这由下面的公 式表示：

X₁＝x+ΔTx+Δx；及

Z₁＝z+ΔTz+Δz。

工作台14可以于是关于B-轴线27旋转，从而球规24处于第二位置B₂。 在示出的实施例中，第二工作台12旋转位置从原始的工作台12旋转位置转 过B角度。当工作台12和基部固定装置14被旋转时，坐标系16不旋转。 基部固定装置14的第二工作台位置B₂在图2中以虚线在15处示出。球规 24关于实际的工作台中心(X₀₀，Z₀₀)旋转，而不是关于名义工作台中心(X₀， Z₀)旋转。由此，在工作台12和基部固定装置14已旋转之后，球规24此 时在第二工作台位置B₂处相对于原始坐标系16位于点(xx，zz)处。工作 台的旋转位置的差值B为B＝B₂-B₁。

测量可以在第一旋转位置B₁关于B-轴线27为0旋转角度及第二旋转位 置B₂关于B-轴线27为90旋转角度的情况下进行。然而，当关于B-轴线27 在0-度旋转位置时，探针18可能不能到达球规24。由此，可使用球规24 的任何两个旋转位置B₁、B₂。这两个位置应该相距大约90-度，从而计算的 总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)对x和z方向两者将具有相似的精度分布。此 外，下面的总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)方程针对使用球规24的仅两个旋 转位置B₁、B₂。然而，下面描述的总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)方程可以被 调整，以采用在多于两个球规24位置处进行的测量。本领域技术人员将能 够修改方程，以使用多于两个被测位点计算总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)。

实际的第二球位置(xx，zz)由探针18测量，特别由侧笔22测量(在 图5中以虚线在19处示出)。如以前，被测量的第二球位点(X₂，Z₂)包括 探针18的偏差(Δx，Δz)。由此，对于工作台18的两个位置，球规24的位 置是已知的。有了对于球规24的两个已知位置，于是可以解出在已知位置 和名义工作台中心(X₀，Z₀)之间的总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)。这由下面的 公式表示，其中B＝B₂-B₁：

$\mathrm{\Delta Tx}+\mathrm{\Delta x}=\frac{(X_1+X_2)[1-\cos (B_1-B_2)]+(-Z_1+Z_2)\sin (B_1-B_2)}{2[1-\cos (B_1-B_2)]};$及

$\mathrm{\Delta Tz}+\mathrm{\Delta z}=\frac{(X_1-X_2)(\sin B_1-{\sin B}_2)+(Z_1+Z_2)[1-\cos (B_1-B_2)]}{2[1-\cos (B_1-B_2)]}$

由此，工作台12和探针18(特别是侧笔22)的总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz) 已知。总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)可以随后被输入到用于CNC机床10的 控制器26中，名义工作坐标中心16可偏移，以补偿总偏差(ΔTx+Δx， ΔTz+Δz)。由此，工作台12中心被找到，且探针18在单个过程中校准。

参考图1和6，描述了用于自动校准探针18(特别是侧笔22)和工作台 12中心的误差和的方法30。步骤32，坐标系16被输入到控制器26中，以 确立名义工作台中心。步骤34，量规24被放置在工作台12上。步骤36， 侧笔22被移动到第一球规24位点。步骤38，侧笔22关于球规24的圆周进 行多个测量，用于对照球规24确定探针18的中心和确定第一被测量球位点 (X₁，Z₁)。步骤40，使用多个测量值，使用最小二乘法拟合计算用于寻找 球规24的中心。如果期望，步骤42，探针18然后校准探针18的第一挠曲 偏差，即推/拉偏差。步骤44，不论探针18的第一挠曲偏差是否被校准，工 作台关于B-轴线27旋转，以将球规24移动到第二位点。步骤46，侧笔22 进行关于球规24的圆周的多个测量，以确定第二被测量球位点(X₂，Z₂)。 步骤48，再次使用最小二乘法拟合计算，针对第二球位点(X₂，Z₂)计算球 规24的中心。步骤50，CNC机床10随后使用第一和第二测量值，以计算 工作台12中心和探针18的总偏差(ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)。步骤52，CNC机 床10的坐标系16被重新定心，以补偿总偏差用于将来的测量和控制。重新 定心的坐标系116在图9-11中示出。

由此，CNC工作台12和探针18、特别是侧笔22被校准，且总偏差 (ΔTx+Δx，ΔTz+Δz)通过控制器26被补偿。此后，安装在CNC机床10 上的固定装置56上的特征部件58(示出在图9-11中)的XZ方向实际上可 通过补偿后的侧笔22被探查。此外，直笔20可通过在两个心轴位置处探查 球规24的顶部而在Y-方向上被校准，如下面参考图7和8描述的。

通过控制器26可使校准方法30自动化，从而用于CNC工作台12中心 和探针18的整个校准过程对于CNC机床10将花费几分钟。

图7和8示出一种用于对探针18在y-方向上校准直笔20的方法，或用 于使用未校准的直笔20进行测量的方法。在上述的实施例中，如在图4和6 中所示的，侧笔22用于进行球规24的测量且被校准。然而，探针18的直 笔20还未被校准。直笔20必须被校准，以当探针正在进行测量时考虑在直 笔20中的挠曲。由此，第二挠曲偏差必须被确定，以考虑直笔20的挠曲。 可替换地，下述方法可以在每次用直笔20进行测量时简单地重复。

当探针18位于90度方位时，通过用直笔20在y-方向位置中进行球规 24的顶部的第一测量，直笔20可以相对于CNC机床10而校准。90度方位 是指探针18关于心轴线54旋转。探针18的零旋转角度是指当侧笔22向下 朝着CNC工作台12延伸时侧笔22的位置。在图7中，侧笔22关于心轴线 54逆时针旋转90度，且球规24的第一测量用直笔20进行。第一直笔20 测量的结果被输入到控制器26中。探针18可以于是被旋转到270度方位，  第二测量进行且输入到控制器26中。平均第一和第二测量值，以寻找球顶 部的实际y-位置和由此校准探针18的直笔20的第二挠曲偏差。用已知的实 际y-位置和经验证的球直径，直笔20通过通常校准过程在y-方向上被校准。

用于校准CNC机床10工作台中心和探针18的上述实施例可以用于具 有水平或竖直安装的固定装置的CNC机床10，以寻找经校准的X和Z位置。 进一步，尽管使用了球规24，也可以使用环规。本领域技术人员将能够确定 环规或球规是否应该用于具体的校准过程和CNC机床10。在探针18和工 作台中心12已被校准之后，柔性固定装置56(示出在图9-11中)可以被安 装到基部固定装置14。柔性固定装置56可以于是使用在之前经校准的探针 18由CNC机床10来测量。

图9-11示出使用经校准的探针18来测量定位特征部件58，所述定位特 征部件位于用于CNC机床10的柔性固定装置56上。坐标系116已使用上 述方法重新定心。柔性固定装置56被安装在基部固定装置14上。柔性固定 装置56包括多个定位特征部件58(仅一个示出)。图9示出探针18可以如 何被定位，以使用侧笔22测量定位特征部件58的x-位点，所述侧笔22按 如上面描述的被校准。图10示出探针18可以如何被定位，以使用侧笔22 测量定位特征部件58的z-位点。图11示出探针18可以如何被定位，以使 用直笔20测量定位特征部件58的y-位点，所述直笔已如上在图7-8中描述 的被校准。可替换地，如果在将柔性固定装置56安装在基部固定装置14上 之前直笔20还未被校准，定位特征部件58的y-位点可以仍由直笔20测量。 如上所述，当探针18位于在心轴线54上相距180度的两个旋转方位中的每 一个时(如在图7-8中示出的)，用直笔20进行测量。平均测量值，以确定 定位特征部件58的y-位点。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术 人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计 和实施例。