CN101352817A - 测量机床中位置检测误差的方法 - Google Patents

Abstract

一种机床位置检测误差测量方法，其消除CNC机床加工点处的轴的俯仰、偏转和滚动的影响，并且改善加工精度。该方法包括使用激光距离测量设备来补偿定位误差测量线性标尺的定位误差的步骤，平行于机床的线性轴装配补偿了定位误差的定位误差测量线性标尺的步骤，以及比较通过将线性轴移动一定量而从位置检测器获得的移动量和从平行装配到线性轴的定位误差测量线性标尺读取的移动量，并且将二者之间的差值存储为用于机床的位置检测器的误差数据。

Description

测量机床中位置检测误差的方法

技术领域

本发明涉及一种测量在机床中提供的位置检测器的位置检测误差的方法，更特别地，涉及一种测量由于俯仰(pitch)、偏转(yaw)和滚动(roll)引起的机床的加工点附近的定位误差的方法，以及还涉及使用由位置检测误差测量方法获得的误差数据的位置检测器的检测数据的补偿。

背景技术

例如，一种用于改善半导体制造设备的X-Y工作台上使用的线性标尺的位置检测精度的现有技术包括：在某时将X-Y工作台的每个轴移动一定距离，使用激光距离测量设备来测量移动的实际距离，计算指令的移动距离和实际的移动距离之间的差值，以及使用获得的差值数据来改善X-Y工作台上使用的线性标尺的位置检测精度(JP03-175319A)。

与激光距离测量设备相比，线性标尺的绝对精度并不好。然而，与激光距离测量设备相比，线性标尺的优点是其测量极少受到周围温度和气压的变化的影响。

例如DVD读取镜头等的精密光学部件模具要求纳米级别的非常高的空间精度。为了将工件加工成精确的形状，具有高的定位精度的计算机数值控制器(CNC)机床是最佳的。然而，生产能够以纳米级别的绝对精度定位的CNC机床是困难的。

此外，由于沿着X轴、Y轴和Z轴中的每一个的俯仰、偏转和滚动，机床中使用的滑块容易倾斜。特别地，由于俯仰和滚动引起的倾斜的影响，与在滑块的低位置相比，在滑块的高位置的距离变换具有高几倍的误差。

在当前的CNC机床中，位置检测器和加工点是彼此分开的。因此，为了最大可能程度地消除在加工点的每个轴的俯仰、偏转和滚动(其不能由前述CNC位置检测器检测)的影响以及获得更精确的加工，期望使用具有极好的测距精度的激光距离测量设备(例如，参见图7)来测量加工点附近的移动。

然而，因为激光震荡波长随着周围环境的改变而波动，例如，随着温度和气压的改变而波动，必须或者在这样的环境改变小的位置，或者通过覆盖激光的光学路径、使用激光测量光学路径的附近的温度和气压、并且将这些测量结果实时地反馈给激光波长来进行这样的测量。然而，在加工点的附近进行激光测距的情况下，提供这样的覆盖是非常困难的。

发明内容

本发明通过使用线性标尺测量加工点附近的移动，并且基于测量的结果进行装配到CNC机床上的位置检测器的补偿以消除加工点附近的各个轴的俯仰、偏转和滚动的影响能够提供更精确的加工，其中各个轴的俯仰、偏转和滚动没有被提供在CNC机床上的位置检测器检测。

本发明的方法用于测量提供在机床的线性轴上的位置检测器的位置检测误差，该方法包括以下步骤：使用激光距离测量设备来补偿定位误差测量线性标尺的定位误差；平行于机床的线性轴装配已经补偿了定位误差的所述定位误差测量线性标尺；以及将当驱动线性轴移动预定量时位置检测器检测的移动量和所述定位误差测量线性标尺测量的移动量之间的差值存储为机床的位置检测器的误差数据。

定位误差测量线性标尺可以被装配在机床的加工点附近。

位置检测器可以包括线性标尺。

该方法进一步包括使用存储的数据来补偿位置检测器的检测数据的步骤。

通过将使用激光距离测量设备补偿的线性标尺用作主标尺，可以使用在加工点(即，在实际进行加工的高度)测得的值通过简单的方法来补偿在CNC机床中使用的滑块中出现的俯仰、偏转和滚动方向上的倾斜的影响，能够获得更精确的CNC机床定位精度。

此外，由于线性标尺是仅使用夹具简单定位在CNC机床的加工点的附近，当使用激光距离测量设备的情况下，不需要调整光轴等，使得本发明的位置检测误差测量方法能够应用在使用CNC机床的制造工厂、实验室或其他位置。

此外，由于不需要调整光轴，可以通过连续将每个轴偏移(offset)预定量来在CNC机床的加工区域的所有点容易地实现本发明的位置检测误差测量方法，因此在使用CNC机床的制造工厂、实验室或其他位置以小块为单元实现加工区域的全部点的位置检测误差测量。

附图说明

图1是其中执行了本发明的一个实施例的的CNC机床的主要部件的透视图；

图2是表示使用激光距离测量设备的误差测量线性标尺误差测量设备的例子；

图3是表示线性标尺误差的例子的图形；

图4是表示使用线性标尺的机床X轴定位误差测量的图表；

图5是表示机床位置检测误差的例子的图形；

图6表示机床存储误差测量线性标尺误差补偿数据的例子；和

图7是表示使用激光距离测量设备的机床X轴定位误差测量的图表。

具体实施方式

图1是其中执行了本发明的一个实施例的的CNC机床的主要部件的透视图，线性标尺装配在机床上加工点的附近。

CNC机床上装配有刀具6和工件5，X轴1和Z轴2作为两个直线轴，并且旋转轴3装配在Z轴2上。旋转工作台4装配在旋转轴3上。工件5可拆卸地固定在旋转工作台4上的位置。刀具固定夹7可拆卸地装配到X轴1的滑块8上，刀具6固定地装配到刀具固定夹7上。在这种类型配置的机床中，如上所述由于围绕每个直线轴的俯仰、偏转和滚动引起定位误差。

图2是表示误差测量设备的例子，其设计用于改善装配在CNC机床的加工点附近的定位误差测量线性标尺的绝对精度。当以纳米标尺检查时，可以是光的、磁的或电的该线性标尺不具有和激光距离测量设备一样好的绝对精度。然而，与激光距离测量设备相比，线性标尺执行的测量更少受到环境温度和气压改变的影响。由此，为了改善绝对精度，在已知温度和气压很少变化的环境中使用激光距离测量设备来补偿线性标尺。

在图2中，附图标记11表示装配在CNC机床上的线性标尺，作为误差测量线性标尺。作为一个正在讨论的线性标尺的例子，可以使用由本申请人原来申请的JP-2006-38839-A1中公开的线性标尺。线性标尺11固定装配在未显示的机座(mounting)上。在线性标尺11上提供具有固定间距的传动形式的测量图案(狭缝)11a。在测量头10上装配有光接收元件，其用于检测来自光发射元件(未显示)的光线。测量头10以在测量图案11a的长度的延长方向上可移动的形式被布置为反向及面向测量图案11a。由测量头10检测的测量图案11a的检测信号被输出至信号处理设备。

在上述结构中，测量头10是移动的，将在线性标尺测量图案11a要被补偿的位置获得的检测信号和来自激光干扰类型距离测量设备14的检测信号相比较，并且测量位置误差。激光干扰类型距离测量设备14使用由测量头10上装配的反射镜12反射的激光光束来测量测量头10和距离测量设备14之间的距离。通过测量整个线性标尺11的位置误差，获得用于校正线性标尺的定位精度的“位置误差数据”，并且将这样的“位置误差数据”存储在存储设备中。

图3表示当测量图2所示的线性标尺11的整个100mm长度的误差补偿时获得的例子。线性标尺11一次移动0.01mm，即，根据线性标尺11的0.01mm。每次使用激光距离测量设备来测量实际移动量。图3所示的图形的垂直轴表示误差，其等于线性标尺移动量减去由激光距离测量设备测量的移动量，以及水平轴表示线性标尺的位置，产生了图3所示的关系。这些测量是在激光距离测量设备受周围温度和气压改变的影响很小的条件下进行的。

根据图3所示的图形，例如，在线性标尺中20mm的位置处的误差为-0.0023mm，以及因此当线性标尺从0mm移动到20mm时，移动的实际距离是20mm-0.0023mm＝19.9977mm。因此，在期望停止在20.000mm的位置的情况下，如果根据线性标尺停止在20.0024mm的位置，由于在20.0024mm的误差是-0.0024mm，线性标尺停止在20.0024-0.0024＝20.000mm。

换句话说，如上所述的线性标尺的定位精度的补偿涉及使用包括在那个位置的线性标尺的位置误差量的值作为实际位置。

图4表示图1所示的CNC机床，移除了工件5、刀具6和刀具固定夹7，并具有可拆卸地装配到旋转工作台4上的用于将测量头10固定在位置上的读取头固定夹9。此外，用于将误差测量线性标尺11固定在位置上的线性标尺固定夹16可拆卸地装配在滑块8上。通过这样的布置，如图4所示，误差测量线性标尺11可以平行于CNC机床的X轴装配，并且此外位于加工点的附近。

误差测量线性标尺11用作定位误差测量标尺，用于测量安装在CNC机床上的位置检测器的检测误差。通过将线性轴移动一定量而从机床的位置检测器获得的移动量与从装配在线性轴的定位误差测量线性标尺读取的移动量相比较，两个移动量之间的差值被存储为机床的位置检测器的误差数据。测量CNC机床的加工点附近的定位误差，并且补偿机床的绝对位置检测精度。应该注意到从误差测量线性标尺读取的移动量是由上述“位置误差数据”补偿的量。

随后，例如，根据X轴位置检测器，机床X轴一次移动0.01mm，并且每次测量定位误差测量线性标尺的移动量。在X轴的每个位置，记录在那个位置的误差，换句话说，记录X轴位置检测器移动量减去定位误差测量线性标尺移动量，并且将其用作定位补偿数据(图5)。例如，当X轴移动到位置A′，得出A′＝A+m(其中m是位置A处的补偿数据)，使得如果根据X轴位置检测器X轴移动至A，可以通过误差测量线性标尺来定位X轴。

此外，由于不需要调整光轴，通过在CNC机床的加工区域的所有点上在X轴1和Z轴2的两个方向上连续偏移预定量，可以将加工区域全部点划分为小块的单元，并且可以测量位置检测误差。

当测量误差测量线性标尺的误差时，可以如下使用用作移动装置的CNC机床的滑块：提供固定夹，以误差测量线性标尺的光轴和激光光束平行的方式将误差测量线性标尺和激光光束反射镜邻接装配在CNC机床X轴的滑块8上。由于误差测量线性标尺和激光光束反射镜是相邻布置的，在CNC机床中使用的滑块的俯仰、偏转和滚动方向上的倾斜引起的误差彼此抵消。通过这样的布置，不需要提供用于误差测量线性标尺误差测量的特殊移动设备。此外，由于在X轴方向上进行误差测量，在Y轴和Z轴方向上的误差不必须使用Y轴和Z轴方向的激光距离测量设备。

作为本发明的第三实施例，如图6所示，如图2所示的装置获得的用于误差测量线性标尺11的误差补偿的数据表被存储在机床数值控制器中。当机床操作者进行机床位置检测器的误差补偿时，误差测量线性标尺被装配在机床上，由此能够自动生成机床位置检测误差补偿表。

Claims (4)

1.一种测量提供在机床的线性轴上的位置检测器的位置检测误差的方法，包括以下步骤：

使用激光距离测量设备来补偿定位误差测量线性标尺的定位误差；

平行于机床的线性轴装配已经补偿了定位误差的所述定位误差测量线性标尺；以及

将当驱动线性轴移动预定量时位置检测器检测的移动量和所述定位误差测量线性标尺测量的移动量之间的差值存储为机床的位置检测器的误差数据。

2.根据权利要求1所述的测量提供在机床的线性轴上的位置检测器的位置检测误差的方法，其中所述定位误差测量线性标尺被装配在机床的加工点附近。

3.根据权利要求1所述的测量提供在机床的线性轴上的位置检测器的位置检测误差的方法，其中位置检测器包括线性标尺。

4.根据权利要求1所述的测量提供在机床的线性轴上的位置检测器的位置检测误差的方法，进一步包括使用存储的误差数据来补偿位置检测器的检测数据的步骤。

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