CN102650864B - 补偿计算机数字控制加工***尺寸准确度的电*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种补偿计算机数字控制加工***尺寸准确度的电***和方法。其中，一种用于补偿四轴CNC加工***的尺寸准确度的电子***，包括CNC加工***、尺寸测量装置和补偿处理器，该CNC加工***配置为将特征部加工到零件中，该尺寸测量装置配置为测量零件的尺寸和提供对应于经测量的尺寸的输出，该补偿处理器与CNC加工***和尺寸测量装置通信。补偿处理器配置为接收来自尺寸测量装置的输出，以计算多个偏移，并将偏移提供到CNC加工***。

Description

补偿计算机数字控制加工***尺寸准确度的电***

技术领域

本发明大体涉及用于计算四轴CNC机床的全局偏移的***和方法。 

背景技术

计算机数字控制(computer numerical controlled：CNC)加工***通常用在工业生产中，以根据之前定下的计划准确地加工零件。通常，这些计划在计算机辅助设计包中被开发出来，并可以以工程图的形式表示出来。CNC加工***可以根据组装顺序命令(例如，G码)来操作，所述命令指示***通过移动可控切削道具来加工零件。在操作期间，***可以检测刀具的位置，并经由精确的伺服马达控制来控制刀具相对于零件的位置。零件可以被保持或夹在固定装置内，该固定装置又定位在机床工作台上。 

发明内容

一种用于补偿CNC加工***的尺寸准确度的电子***，包括CNC加工***、尺寸测量装置和补偿处理器，该CNC加工***配置为将特征部加工到零件中，该尺寸测量装置配置为测量零件的尺寸和提供对应于经测量的尺寸的输出，该补偿处理器与CNC加工***和尺寸测量装置通信。补偿处理器配置为接收来自尺寸测量装置的输出，以计算多个偏移，并将偏移提供到CNC加工***。CNC加工***可以包括四轴CNC铣床，尺寸测量装置可以包括坐标测量机。 

在一实施例中，计算多个CNC偏移可以包括计算零件的经测量的尺寸和相应的标称尺寸之间的偏差；将该偏差从CMM坐标系转换到CNC加工***的坐标系；和计算使得将来的偏差最小化的多个CNC偏移。补偿处理器可以还根据加权算法对所述偏差进行加权，诸如通过将所述偏差除以被提供的公差。在一实施例中，补偿处理器可以通过优化在联立方程组内的多个偏移变量来计算最小化将来的偏差的多个CNC偏移，诸如通过最小二乘拟合。多个CNC偏移可以包括全局偏移，诸如，工作台偏移、固定装置偏移、 或角偏移。 

一种用于补偿CNC加工***的尺寸准确度的电子方法，包括通过接口接收设置信息、通过接口从坐标测量机接收测量数据、从设置信息和测量数据计算多个CNC偏移、和输出该多个CNC偏移。在一实施例中，设置信息可以包括特征部描述信息和零件信息，测量数据可以涉及被加工零件的一个或多个经测量的尺寸。特征部描述信息可以还包括多个特征部记录，其中每个特征部记录对应于被CNC加工***加工的相应特征部。 

计算多个CNC偏移可以包括从测量数据和特征部描述信息计算一个或多个特征部偏差，将测量数据从CMM坐标系转换为CNC加工***的坐标系内的多个CNC偏移变量、和优化CNC偏移变量以最小化特征部偏差。在一个实施例中，优化CNC偏移变量可以包括执行最小二乘拟合。 

该方法可以还包括将加权算法应用到一个或多个将来的偏差。加权算法可以配置为当优化CNC偏移变量时修改尺寸的影响，诸如通过使特征部偏差除以在特征部描述设置信息中接收的公差。该方法可以还包括输出性能数据。 

本发明的上述特征部和优势及其他特征部和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。 

附图说明

图1是用于补偿被加工零件的尺寸准确度的***的示意图。 

图2是具有多个特征部的零件的示意俯视图。 

图3A是具有A工作台的四轴CNC铣床的示意透视图。 

图3B是具有B工作台的四轴CNC铣床的示意透视图。 

图3C是具有C工作台的四轴CNC铣床的示意透视图。 

图4是坐标测量机的示意性透视图。 

图5是用于从CMM测量数据计算CNC校准偏移的计算机化方法的实施例的流程图。 

图6是提供到补偿处理器的接口的设置信息和CMM数据的图示。 

图7是用于计算CNC校准偏移的计算机化方法的实施例的流程图。 

图8是在CNC加工***内的多个参考坐标系的示意图。 

图9是在坐标测量机内的参考坐标系的示意图。 

图10是由补偿处理器提供的输出数据的流程图。 

具体实施方式

参考附图，其中在几幅图中相同的附图标记用于标识相似或相同的构件，图1示出了示例性***10，该***用于补偿被加工的零件12的尺寸准确度。如图所示，***10可以包括计算机数字控制(CNC)加工***14，其通一个或多个加工过程在零件上创建一个或多个特征部(例如，孔16)。在一实施例中，CNC加工***14可以包括CNC铣床，诸如四轴铣床，并可以执行诸如切削、端面铣削、钻孔、珩磨和/或穿孔的过程。 

一旦一个或多个特征部被加工到零件12中，则尺寸测量装置(诸如坐标测量机(coordinate measuring machine：CMM)18)可以测量零件12的一个或多个尺寸。每个经测量的尺寸可以针对已建立的基准(datum)或控制表面而被采集，该已建立的数据或控制表面可以在零件12的相应工程图中设定。工程图可以为每次测量设定标称尺寸，并可以进一步提供可接受的公差。 

***10可以还包括补偿处理器20，该补偿处理器可以从CMM18接收零件测量数据，和计算一个或多个CNC偏移(offset)24。补偿处理器20可以包括，例如但不限于，COMP(加工过程能力优化(Capability Optimization for Machining Process))软件包，其可以辅助计算一个或多个CNC偏移。一旦计算出来，则CNC偏移可以被加载到CNC加工***14中，以提高加工过程的尺寸准确度。 

如大体在图2中示出的，零件12可以包括多个特征部26、28、30。每个特征部可以由CNC加工***14根据工程图加工。示例性特征部可以包括但不限于，洞、孔、通道和/或加工面。每个加工特征部可以关于一个或多个基准或控制表面安置。例如，特征部26和边缘32之间的距离可以限定出第一尺寸34。类似地，特征部28和边缘32之间的距离可以限定出第二尺寸36。 

当一个或多个加工特征部的尺寸(例如，尺寸34、36)偏离设置在图中的标称尺寸时，全局偏移可以通过补偿处理器20而提供至CNC加工***14，以修改加工过程及试图减少偏差。 

全局偏移可以调整加工工件坐标系38的原点和/或取向。该类型的偏移 可以影响零件21中的所有特征部26、28、30的定位或尺寸。在这点上，全局偏移可以类似于零件12的旋转和刚***移。 

尽管全局偏移为刚体运动，但可以将工件坐标系38调整到最优位置，从而特征部偏差被最小化。要求修正的一种类型的偏差可以由在加工过程期间的弹性变形产生。例如，如果零件12不足够刚性，则在加工过程期间的夹持力和/或切削刀具压力会使零件12弹性地变形。一旦该力被移除，则零件12可以返回到未变形状态，并使在零件变形时所加工的任何特征部发生移位。补偿处理器20计算的全局偏移可以提供中值修正(median correction)，从而总零件偏差被最小化。表示总零件偏差的示例性度量可以包括每个经测量尺寸和其各自的规定标称尺寸之间差值的标准偏差。 

如在图3A-3C中示出的，在一些工业生产中，CNC机床可以配置为提供四个或更多控制轴。例如，图3A大体示出四轴“A”CNC机床，图3B大体示出四轴“B”CNC机床，图3C大体示出四轴“C”CNC机床。在每个示出的实施例中，切削主轴44能有三个平移度(degree of translation)，工作台46可以能有一个旋转度。如可以理解，对额外的工作台轴的控制会使全局偏移的计算变复杂。 

图4示出CMM18的实施例。如本领域中已知的，CMM18可以包括探头50，该探头50可以通过测量处理器54被数字地定位在三维空间52中。探头50可以被移动到与零件12的物理接触中，在此刻，测量处理器54可以记录三维位置。通过比较多个经记录的位置，测量处理器54可以报告零件12的一个或多个距离或尺寸。 

图5示出用于从CMM测量数据22计算CNC校准偏移24的计算机化方法60的实施例。计算机化方法60可以与补偿处理器20关联执行或通过补偿处理器20执行，诸如图1中所示的。在一实施例中，计算机化方法60可以包括提供设置信息(步骤62)、加载CMM测量数据(步骤64)、计算偏移(步骤66)、和输出偏移和/或性能数据(步骤68)。 

在步骤62中，如图6所示，设置信息70可以经由接口72提供到补偿处理器20。示例性类型的设置信息70可以包括特征部描述信息74和零件信息76。接口72可以包括计算机终端，所述计算机终端配置为从操作者接收设置信息70的输入。在另一实施例中，接口72可以是电子接口，在该电子接口处，设置信息70被直接上载到处理器20。 

在一实施例中，特征部描述信息74可以包括多个特征部记录78，所述特征部记录78每个对应于被CNC加工***14加工的相应特征部。每个特征部记录78可以例如包括特征部识别信息80、尺寸标注信息82、和/或特征部取向信息84。示例性特征部识别信息80包括每个特征部86和/或CMM识别码88的描述标题。示例性尺寸标注信息82可以包括标称尺寸值90，该标称尺寸值90可以被指定给特征部86和/或尺寸公差92。示例性取向信息84可以包括当各个特征部被加工时CNC工作台46的取向94，和/或当进行尺寸被测量时在CMM18内的零件12的取向96。 

零件信息76可以包括可以使零件定位在机床坐标空间内的信息。示例性零件信息可以包括工作台位置信息98和/或固定装置位置信息100。 

再次参考图5，一旦在步骤62中设置信息被提供到补偿处理器20，则来自CMM18的测量数据22可以被加载到处理器20中(步骤64)。在一实施例中，测量数据22可以包括由CMM18获取的原始测量值，其对应于用于特征部描述设置信息74中的特征部的标称尺寸90。测量数据22可以通过将测量数据手动输入到计算机终端中、经由接口72来加载。可替换地，测量数据22可以被电子地加载到补偿处理器20。 

在一实施例中，测量数据22可以表示从多个零件12的统计样本采集的测量值。尽管来自仅一个零件12的数据22可以允许补偿处理器20正确地计算CNC偏移24，但从多个零件12的样本获得的数据22可以允许补偿处理器20更完整地考虑由加工过程引起的统计偏差。 

一旦设置信息和CMM数据被加载到补偿处理器20中(即，步骤62、64)，则处理器可以计算可以被CNC加工***14使用的一个或多个CNC偏移(步骤66)，以减少在实际特征部位置(如由CMM18测量的)和在特征部描述信息74中提供的标称尺寸值90之间的任何偏差。如在图7中示出的，在示例性实施例中，计算一个或多个CNC偏移的步骤(步骤66)可以包括：将CMM测量数据22从CMM坐标系转换到CNC加工***的坐标系(步骤102)；开发方程组，所述方程将特征部偏差和可用偏移建立关系(步骤104)；根据重要程度将零件12的一个或多个特征部加权(步骤106)；及优化偏移变量(offset variable)，以最小化相对于标称指定尺寸的总特征部偏差(步骤108)。 

如在图8-9中示出的，CNC加工***14和CMM18每一个可具有本地 的(native)独立的坐标系(即，分别为坐标系110、126)。如在图8中示出的，CNC加工***14的绝对机床坐标系“M”110可以是静止坐标系，其原点为机床始点(home)，其正向设定为机床通路方向。在一实施例中，CMM18可以将每个测量值记录为与任意CMM坐标系126校准的GD&T(几何尺寸标注和规定公差：geometric dimensioning and tolerancing)值。 

再次参考图8，工作台坐标系“T”112的原点可以对准在加工工作台46的旋转中心上(如图3A-3C所示的)。T坐标系112的原点可以从M坐标系110的原点平移一距离，但是可以以与M坐标系类似的方式取向。另外，工作台46能够绕工作台中心(例如，T坐标系112的原点)转过一可变角度“B”114。 

在一实施例中，固定装置可以安置在工作台46上并用于定位和限制零件12。固定装置可以具有相应的固定装置坐标系“F”116，其定位在固定装置的中心处。F坐标系116可以从工作台中心平移一距离，但是也可以以与M坐标系110和T坐标系112类似的方式取向。 

零件112可以被夹到固定装置。零件112可以具有相应的零件坐标系“P”118，其定位在零件112的中心处并与M坐标系对准。在一实施例中，P坐标系118的原点可以从F坐标系116的原点平移一距离。随着工作台46绕它的中心转过一角度B114，固定装置和零件112将类似地绕工作台中心旋转。如图所示，在旋转之后，在M坐标系110内，F坐标系116的原点(即，固定装置中心)将呈现新位置120，及类似地，P坐标系118的原点(即，零件中心)将采用新位置122。然而，通过定义，P、F和T坐标系118、116、112的取向可以保持与M坐标系110的取向对准。F坐标系116可以还称为全局坐标系(global coordinate system)。使用这些示例性关系，方程1可以用于将零件中心(即，P坐标系118的原点)限定在机床系“M”110内，其中工作台取向为在X-Z平面上(即，“B”工作台)。 

${\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Wx}=\left({\mathrm{Tx}}_B\right)+({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0)\cos B-({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0)\sin B\\ \mathrm{Wy}={\mathrm{Ty}}_B+{\mathrm{Fy}}_0+{\mathrm{Py}}_0\\ \mathrm{Wz}=\left({\mathrm{Tz}}_B\right)+({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0)\sin B+({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0)\cos B\\ \mathrm{Wb}=B\end{array}\right.$ 方程1 

如方程1中所使用的，点(Tx_B，Ty_B，Tz_B)表示B-工作台的标称中心(即，T坐标系112的原点)，为从机床零点(即，M坐标系110的原点)所测量的。类似的，点(Fx₀，Fy₀，Fz₀)表示当工作台角度B＝0时固定装置中心(即，F坐标 系116的原点)和工作台中心之间的距离；及(Px₀，Py₀，Pz₀)表示当工作台角度B＝0时零件中心(即，P坐标系118的原点)和固定装置中心之间的距离。 

如在图8-9中示出的，特征部124可以通过刀具而被加工到零件12中。如在图8中示出的，随着零件12移过角度“B”114，特征部124可以在P、F和T坐标系118、116、112内移动，但是固有地固定在零件12上。 

如在图9中示出的，CMM坐标系126可以被定义在零件12上，并可以相对于该零件保持恒定的取向。因此，随着零件12转过角度B114时，CMM坐标系126也可以同样地旋转。以该方式，特征部124在CMM坐标系126内的位置可以保持不变。在一实施例中，CMM坐标系126可以被定位在零件中心，并可以在B＝0时与机床坐标系110对准。考虑到该示例性坐标的定义，方程2可以表示特征部124在机床坐标系110内的位置，其中(X_cmm，Y_cmm，Z_cmm)表示特征部124在CMM坐标系126内的位置。 

${\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B\_\mathrm{feature}}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Wx}=\left({\mathrm{Tx}}_B\right)\\ +({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\cos B\\ -({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\sin B\\ \mathrm{Wy}={\mathrm{Ty}}_B+{\mathrm{Py}}_0+Y_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{Wz}=\left({\mathrm{Tz}}_B\right)\\ +({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\sin B\\ +({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\cos B\\ \mathrm{Wb}=B\end{array}\right.$ 方程2 

在一实施例中，工作台46的位置(Tx_B，Ty_B，Tz_B)和/或零件12的位置(Px₀，Py₀，Pz₀)可以在机床坐标系110内被偏移，以修正特征部124的经CMM测量的位置和由工程图指定的特征部的标称位置之间的偏差。类似地，工作台的角旋转B可以偏移，以修正偏差。方程3表示特征部124在机床坐标系110内的位置(如在方程2中所标示的)，但包括偏移(ΔTx_B，ΔTz_B)、(ΔPx₀，ΔPy₀，ΔPz₀)和ΔB。 

${\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B\_\mathrm{feature}}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Wx}=({\mathrm{Tx}}_B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tx}}_B)\\ +({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0)\cos B\\ -({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0)\sin B\\ \mathrm{Wy}={\mathrm{Ty}}_B+{\mathrm{Py}}_0+Y_{\mathrm{cmm}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Py}}_0\\ \mathrm{Wz}=({\mathrm{Tz}}_B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tz}}_B)\\ +({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0)\sin B\\ +({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0)\cos B\\ \mathrm{Wb}=B+\mathrm{\ΔB}\end{array}\right.$ 方程3 

偏导数可以用于求解线性和/或角偏移，如在方程4-5中表明的。 

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B\_\mathrm{feature}\_\mathrm{linear}}=\frac{\∂{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B\_\mathrm{feature}}}{\∂T}\mathrm{\ΔT}+\frac{\∂{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B\_\mathrm{feature}}}{\∂P_0}\mathrm{\Δ}{P}_0$ 方程4 

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_B\_\mathrm{feature}\_\mathrm{anular}}=\frac{\∂{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_\mathrm{feature}}}{\∂B}\mathrm{\ΔB}$ 方程5 

如可在方程6中看到的，CNC惯例(convention)可以定义与CMM偏差相反方向上的线性调整，其中角调整可以在与CMM偏差相同的方向上。如方程7所示，总特征部偏差，如在机床坐标系“M”110中表示的，可以是线性和角偏差的和。 

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{M}=-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{M}}_{g\log \mathrm{al}\_\mathrm{feature}\_\mathrm{linear}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{global}\_\mathrm{feature}\_\mathrm{angular}}$ 方程6 

结合方程3-6可以得出方程7： 

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{M}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{global}}=-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tx}}_B-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0\cos B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0\sin B\\ -({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\sin \mathrm{B\ΔB}\\ -({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\cos \mathrm{B\ΔB}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{global}}=-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Py}}_0\\ \mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{global}}=-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tz}}_B-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0\sin B-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0\cos B\\ +({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\cos \mathrm{B\ΔB}\\ -({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\sin \mathrm{B\ΔB}\end{array}\right.$ 方程7 

尽管方程7有助于在全局机床坐标系“M”110中描述特征部偏差，但特征部偏差的测量发生在CMM坐标系126中。因此，通过坐标变换，方程7可以在CMM空间中为方程8-10所示，其中，方程10是用于四轴机床全局偏移的实施例的补偿公式。 

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{cmm}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{global}}& {\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{j}}_{\mathrm{globalc}}& {\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{global}}\\ {\stackrel{\→}{j}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{global}}& {\stackrel{\→}{j}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{j}}_{\mathrm{global}}& {\stackrel{\→}{j}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{global}}\\ {\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{global}}& {\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{j}}_{\mathrm{global}}& {\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{cmm}}\·{\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{global}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{global}}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{global}}\\ \mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{global}}\end{array}\right)$ 方程8 

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{cmm}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos B& 0& \sin B\\ 0& 1& 0\\ -\sin B& 0& \cos B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}[-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tx}}_B-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0\cos B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0\sin B\\ -({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\sin \mathrm{B\ΔB}\\ -({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\cos \mathrm{B\ΔB}]\\ -\mathrm{\Δ}{\mathrm{Py}}_0\\ [-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tz}}_B-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0\sin B-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0\cos B\\ +({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\cos \mathrm{B\ΔB}\\ -({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\sin \mathrm{B\ΔB}]\end{array}\right)$ 方程9 

$\left(\begin{array}{c}-\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{cmm}}\\ -\mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{cmm}}\\ -\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{cmm}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tx}}_B\cos B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tz}}_B\sin B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0+\mathrm{\ΔB}({\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}})\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{Py}}_0\\ -\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tx}}_B\sin B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tz}}_B\cos B+\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0-\mathrm{\ΔB}({\mathrm{Fx}}_0+{\mathrm{Px}}_0+X_{\mathrm{cmm}})\end{array}\right)$ 方程10 

方程10可以被重新写为线性矩阵，如方程11中所示。 

$-\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{cmm}}\\ \mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{cmm}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}\cos B& \sin B& 1& 0& 0& {\mathrm{Fz}}_0+{\mathrm{Pz}}_0+Z_{\mathrm{cmm}}\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ -\sin B& \cos B& 0& 0& 1& -{\mathrm{Fx}}_0-{\mathrm{Px}}_0-X_{\mathrm{cmm}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}{x}_B\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{Tz}}_B\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{Px}}_0\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{Py}}_0\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{Pz}}_0\\ \mathrm{\ΔB}\end{array}\right)$ 方程11 

如在方程11中所使用的，在方程右侧的系数矩阵中的每个元素可以从在步骤62中提供到补偿处理器20的设置信息70确定(图6中所示)。方程11的左侧表示具体特征部的经CMM测量的尺寸和工程图中指定的标称尺寸之间的差。在该示例性实施例中，特征部偏差被表示在CMM坐标系126中，该CMM坐标系126在B＝0时与机床坐标系对准。 

如可以意识到的，方程1-11为示例性目的示出。尽管这些方程表示具有B-工作台的四轴CNC加工***14的全局偏移，但本领域技术人员可以类似地开发表示其他工作台(例如，四轴A-工作台和/或C-工作台)构造的偏移的方程。 

零件12可以包括一个或多个特征部，所述特征部不宜于相对于CMM坐标系126容易地测量。例如，零件12可以包括相对于各种基准设定尺寸的多个特征部。由于操作者或机床便利和/或可操作性(accessibility)，零件12会需要实体操作以获得相应的CMM测量值。在这种情况下，补偿处理器20会需要将所有测量值转换回到同一CMM坐标系126(该CMM坐标系126也可以在B＝0时与全局机床坐标系对准)。在一实施例中，从独立取向的坐标系中的测量值至CMM参照系中的测量值的转换会需要旋转变换。如本领域中已知的，这样的旋转变换可以通过绕初始坐标系的一个或多个轴线的一系列1-3次个别旋转组成。示例性旋转变形可以包括ZYZ或ZYX旋转。 

尽管方程11可以为单个特征部描述全局修正/偏移，但是实际上，零件12可以包括多个特征部，每个特征部需要不同程度的修正。补偿处理器20可以多次使用方程11，以描述每个相应特征部的每个经测量尺寸。再次参考图7，在步骤104中，处理器可以将所有生成的方程组合到冗余的联立方程组中。该冗余联立方程组可以使所有经测量的特征部偏差关联回到六个可用偏移。该方程组同样可以还考虑来自多于一个零件12(即，来自零件的统计 样本)的测量值。 

一旦该联立方程组被构成，则补偿处理器20可以随后清除，或“抹去”不对最终解法有影响的任何方程。例如，如果多个特征部中的一个的数据不完整或未定义，则描述具体特征部的方程可从方程组中消除。 

一旦描述所有预期特征部的、相应的联立方程组被开发，则补偿处理器20可以将加权算法应用到各种方程和/或特征部(步骤106)。加权算法可以在对全局偏移求解时增加更多关键特征部的影响。例如，具有较紧密的公差的特征部可以赋予比具有更宽公差的特征部更高的权重。在一实施例中，加权算法可以通过使方程11的两侧除以具体特征部的尺寸公差92运算。这样，具有较小公差的特征部将被赋予更大的加权。 

在步骤108中，补偿处理器20可确定六个偏移变量，所述偏移变量使在所述冗余方程组中描述的特征部偏差最小化。这样的确定可以经由优化程序发生，所述优化程序可以选择可使所表达偏差最小化的偏移变量。示例性优化程序可以包括最小二乘拟合解算器、线性规划优化程序、或其它数值优化方法。 

在一实施例中，在执行任何优化之前，解算器可以针对奇点的存在而检查***。如果解算器检测到奇点可能存在，则处理器20可以警告用户和/或修改方程组，以消除或“抹去”额外的有问题的方程。 

返回参考图5，一旦偏移被计算(步骤66)，则补偿处理器20可以将它们输出到CNC加工***，并可以还将各种形式的性能数据输出给用户。取决于补偿处理器20和CNC加工***14之间的集成的水平，偏移24可以被直接提供到CNC加工***14，或可以被为技术人员显示出来以手动地输入它们。在任一实施例中，偏移24可以用于调整在CNC码中限定的一个或多个坐标系38。如上所述，可以从例如优化程序导出以及可以用于优化程序的全局偏移可以将零件12的察觉到的位置和/或取向作为整体来操作。 

如在图10中示出的，除了输出偏移校准信息24之外，补偿处理器20可以还计算和提供性能数据130给用户。性能数据130可以在修正之前和之后总结和/或比较偏差，及可以以表格形式132和/或图表形式134来总结所述性能数据。在一实施例中，性能数据130可以将特征部偏差的变化分析作为对该特征部提供的公差的百分比。性能数据130可以以一个特征部接一个特征部为基础来报告变化，和/或将变化报告成零件12的平均偏差。 

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。所有方向参考(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、上方、下方、竖直或水平)仅用于识别目的，以帮助读者理解本发明，且不产生限制，特别是对于本发明的位置、取向或使用的限制。目的是，包含在上述描述或附图中所示的所有事物应该解释为仅说明性且非解释为限制性。 

Claims (9)

1.一种用于补偿CNC加工***的尺寸准确度的电子***，包括：

CNC加工***，包括设置在机床坐标系中且配置为限制零件的可旋转工作台，该CNC加工***配置为将多个特征部加工到所述零件中；

尺寸测量装置，配置为测量对应于多个特征部每一个的尺寸和提供对应于经测量的尺寸的输出；和

补偿处理器，与CNC加工***和尺寸测量装置通信，该补偿处理器配置为接收来自尺寸测量装置的输出，以计算多个CNC偏移以使得将来的偏差最小化，并将所述偏移提供到CNC加工***；和

其中，补偿处理器配置为通过以下方式计算多个CNC偏移以使得将来的偏差最小化：

计算经测量的尺寸每一个和相应的标称尺寸之间的偏差；

使用经计算的偏差确定机床坐标系中平面工作台偏移；

使用经计算的偏差确定机床坐标系中三维零件偏移；

使用经计算的偏差确定工作台旋转偏移；

其中，平面工作台偏移、三维零件偏移和工作台旋转偏移被确定，以使得经计算的偏差最小化。

2.如权利要求1所述的电子***，其中，尺寸测量装置是坐标测量机。

3.如权利要求1所述的电子***，其中，计算多个CNC偏移还包括根据加权算法对每个相应经测量偏差加权。

4.如权利要求3所述的电子***，其中，加权算法包括将相应偏差除以为相应标称尺寸提供的公差。

5.如权利要求1所述的电子***，其中，计算使得将来的偏差最小化的多个CNC偏移包括优化联立方程组内的多个变量。

6.如权利要求5所述的电子***，其中，优化多个变量包括进行最小二乘拟合。

7.如权利要求1所述的电子***，其中，多个CNC偏移包括全局CNC偏移。

8.如权利要求7所述的电子***，其中，全局CNC偏移包括平面工作台偏移、三维零件偏移、或工作台旋转偏移。

9.如权利要求1所述的电子***，其中，CNC加工***包括四轴CNC铣床。