CN104246429B - 用于在确定工件坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的方法和装置 - Google Patents

用于在确定工件坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在确定工件的坐标时降低旋转装置(11，12)或者在加工工件时的误差的方法，其中，所述旋转装置(11，12)在确定所述工件(13)的坐标期间或者在加工所述工件期间允许所述工件绕着所述旋转装置(11，12)的旋转轴线进行旋转运动，并且所述方法具有以下步骤：所述旋转装置(11，12)由于所述旋转轴线的实际位置以及实际取向为一方、与所述旋转轴线的相应的理想位置以及理想取向为另一方之间的偏差所导致的误差在旋转角度的范围内、也就是在所述旋转装置(11，12)的两个能够相对于彼此绕着所述旋转轴线旋转运动的部件的旋转位置不同的情况下被测量(21)并且相应的误差测量值被获得；由所述误差测量值求取所述旋转装置(11，12)的预期误差值，所述预期误差值分别针对用于确定所述工件的坐标的坐标测量装置或者用于加工所述工件的工具机的加工工具为一方、以及所述旋转装置(11，12)为另一方的相对工作位置和工作取向被预期；由所述旋转装置(11，12)的预期误差值求取(25)所述坐标测量装置或者所述加工工具的至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向使所述旋转装置(11，12)的预期误差值在用于确定所述工件的坐标的预给定的测量任务中或者用于加工所述工件的预给定的加工任务中：比针对其它工作位置和/或工作取向的情况小；和/或满足预给定的条件。一种控制器(27)能够相应地控制工件的加工。

Description

用于在确定工件坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的方 法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于在确定工件的坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的方法。旋转装置允许在确定坐标或加工工件期间该工件绕着该旋转装置的旋转轴线进行旋转运动。本发明还涉及一种组件，利用该组件能够实施所述方法。在此，出发点是，旋转装置的误差至少部分地可重现。
背景技术
已知的是，可旋转地支承工件，以便测量其坐标或者加工工件。例如，在坐标测量技术领域中工件设置在可旋转台(所谓的旋转台)上。以这种方式可以使工件置于不同的工作取向，坐标测量仪以所述工作取向工作，即测量工件的坐标。特别地能够不断地(例如扫描式)测量工件的坐标，同时旋转装置使所述工件绕着该旋转装置的旋转轴线旋转。
这同样适用于通过工具机加工工件。工件可以被置于不同的工作取向以便工具来加工。特别地可以使工件在其加工时连续旋转。
工作取向可以特别是通过这样的方向来定义：该方向垂直于旋转轴线并且通过工件的表面上的点延伸，工件在该点上被扫描或者工件在该点上被加工。因此，在以探测器接触式探测工件时或者在加工工件时作用到工件上的力可以特别是垂直于旋转轴线朝着工作取向的方向作用。
在坐标测量领域中对于工件的形状检查通常有利的是，以探测器扫描工件，该探测器相对于所述旋转装置具有几乎恒定的工作取向和工作位置，同时旋转装置使工件旋转。工作位置和工作取向不完全恒定，因为工件通常相对于旋转装置的旋转轴线非精确旋转对称地设置和/或不是或者非精确地旋转对称地成形。例如，坐标测量仪的探测器(该探测器接触式探测工件表面)可以由坐标测量仪在固定位置中并且在取向确定的情况下被保持，其中，探测器根据工件待测量的形状相对于探测器的保持部不同程度地偏转。通过几乎恒定的工作取向和工作位置能够使由于坐标测量仪与位置以及与取向有关的误差所导致的坐标测量的误差最小化。在该情况下，旋转装置的误差显著地确定了测量结果。工件测量的速度可以在许多情况下以这种方式提高。
为了减小旋转装置的误差，该旋转装置可以如此设计，使得误差满足规定。尤其的是，空气轴承可以用于支承所述旋转装置的可旋转运动部件，并且可以在马达驱动的旋转装置中使用直接驱动器。旋转装置的误差要越小，结构耗费越高。
可替换地或者附加地，旋转装置的误差可以利用坐标测量仪来测量，其中，校准体或者校准体组件在旋转装置的可旋转部件上设置(例如设置在旋转台上)并且被测量。然而，旋转装置参照所有六个可能的运动自由度的误差的测量是费时的。在准确度要求高的情况下，例如如果旋转装置承受温度波动，则校准必须重复进行。相应地适用于这样的旋转装置，该旋转装置被设计用于，使工件可旋转地保持在工具机的加工区域中。用于校准的耗费在这种情况下通常大于坐标测量技术，因为在坐标测量技术领域中通常可以使用用于校准的坐标测量仪，该坐标测量仪之后执行工件的测量。
Eric Marsh在《精密主轴计量(，，Precision Spindle Metrology“)》ISBN978-1-932078-77-0、特别是第2章中描述了对于说明精密主轴运动误差的主题。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于在确定工件的坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的方法，该方法需要较少的测量技术上和结构上的耗费，以便保持该旋转装置的误差较少。特别地，工件的测量或者工件的加工的、上文已经描述的方法可以在耗费较小的情况下实现。此外，本发明的任务在于，提出一种用于执行该方法的组件。
本发明基于这样的认识：用于坐标测量仪和工具机的旋转装置在许多情况下具有不同的误差源，这些误差源导致了对于旋转装置的总误差的不同误差份额。特别的是，这些不同的误差份额是平移误差(即旋转轴线在旋转运动期间沿着直线方向运动)和旋转误差(即旋转轴线根据旋转装置的相对彼此可旋转运动部件的旋转位置相对于理想的、不可变的旋转轴线不同地倾斜和/或以不同的方式倾斜于理想旋转轴线延伸)。不同的误差份额根据坐标测量装置或者工具机的加工工具相对于旋转装置的工作位置和工作取向来补偿或者加强。
此外，本发明基于以下认识：与其它工作取向和工作位置相比，在确定的工作位置和工作取向的情况下的单个误差源对测量或者加工工件的误差没有或者较少地造成影响。例如，旋转装置的实际旋转轴线可以绕着坐标轴倾翻，该坐标轴垂直于理想旋转轴线延伸。在此，倾翻角度(实际和理想旋转轴线之间的角度)可以在旋转装置的旋转运动期间变化。在以工作取向测量或者加工工件时(该工作取向朝着所述的坐标轴的方向延伸)由旋转装置来旋转的工件的位置不会由于这种误差源而变化。然而相对而言，工件的位置由于这种误差源(即由于倾翻运动)而沿着这样的方向变化：所述方向垂直于理想旋转轴线且垂直于所述的坐标轴延伸，并且所述方向与坐标轴不相交。根据至上述倾翻运动的中心的轴向间距(该轴向间距沿着理想旋转轴线的方向确定)，这种误差源的误差或强或弱地起作用。
因此，用于解决上述任务的贡献在于，求取到坐标测量装置或者加工工具的至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向使所述旋转装置的预期误差很小和/或满足预给定的条件。所述预给定的条件要求：例如，该旋转装置的误差不会达到或者不会超过确定的误差值。尤其可以求取至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向使所述旋转装置的预误差小于针对其它工作位置和/或工作取向。
在求取所述至少一个工作位置和/或工作取向时，特别是可以考虑用于确定工件的坐标的预给定的测量任务或者用于加工工件的预给定的加工任务。例如，该任务可以确定坐标测量装置或加工工具的工作取向或者可以确定对于所述工作取向可能或允许的范围。这同样可以适用于工作位置。关于工作取向，这样两个工作取向特别是认为是相同的：如果它们彼此平行地延伸，即可以通过平行移动相互重合。特别是，这样的工作位置可以被定义为轴向工作位置：即所述工作位置作为坐标轴(例如称为z轴)的坐标值给出，该坐标轴与理想旋转轴线重合。特别是在这种情况下，工作取向可以总是被定义为垂直于理想旋转轴线延伸，例如，当在探测工件或者加工工件时垂直于理想旋转轴线地施加力。
例如，加工工具仅以一定的工作取向在工具机上运行。相应的是，坐标测量仪的接触式或者光学式探测器(要利用该探测器测量工件)的可运动性可以例如由于减少测量误差的原因如此限制，使得仅一个工作取向或者不同工作取向的一个小范围是可能的。根据待测量的或者待加工的工件可以替代或附加的是，坐标测量装置或加工工具在一个确定的工作位置中或者相对于所述旋转装置的工作位置的确定范围内设置。如果例如涉及到很长的工件，该工件的端部要被测量并且该工件在旋转装置的旋转轴线的轴向方向上取向，则所述工件的端部可以例如或是非常接近所述旋转装置的保持部或是非常远离于该保持部。
因此要再次强调的是，不仅所述工作位置而且所述工作取向都参照所述旋转装置，而不是参照工件。通常唯一或者主要的是，关于所述旋转装置的误差关键是涉及旋转装置的所述工作位置和/或所述工作取向。此外，也可以对旋转装置的误差造成其它影响的是：例如工件的重量、工件的惯性矩、坐标测量装置或加工工具对工件施加的力、测量/加工工件的其它参数(例如工具的切削深度)和/或旋转速度(所述旋转装置使工件以该旋转速度旋转)。在本发明的一个构型方案中，这些附加影响因素的至少一个和/或这些影响因素的任意组合可以被包含到旋转装置在相应的工作取向和/或工作位置的情况下的误差的求取中。例如，旋转装置的误差的测量被执行，而同时相应的影响因素或者影响因素的相应组合起作用。
在许多情况下，与旋转误差相比(该旋转误差归因于实际旋转轴线相对于理想旋转轴线的倾翻)，旋转装置的平移误差较少贡献于旋转装置的总误差。如上面所提到的，倾翻角度可以根据旋转装置的旋转位置波动。由于恒定的、随着旋转运动不变化的倾翻角度所造成的误差份额可以以简单的方式来求取并且例如校准，其方式是：如此改变理想旋转轴线的取向，使得该理想旋转轴线与倾翻的旋转轴线重合。
关于旋转装置的误差方面有利的工作位置和工作取向的求取不仅具有降低误差的优点，而且也可以如下所述地以特别低的测量耗费来确定。因为可以以减小的误差来测量工件的坐标或者加工工件，因此也可以减小用于旋转装置的结构耗费。
优选地不是对于坐标测量装置或者加工工具的所有可能的工作位置和/或工作取向来测量旋转装置的误差，和/或优选地不是对于所有可能的(多个)工作位置和/或(多个)工作取向来测量旋转装置的误差，所述工作位置和/或工作取向在预给定的测量任务或者预给定的加工任务中出现。更确切地说优选的是，旋转装置的误差仅针对该旋转装置的某些旋转位置并且仅针对少数、例如两个轴向(参照所述旋转装置的旋转轴线)测量位置来测量。可替代地，例如在所述旋转装置的可旋转部件的旋转运动期间在该旋转轴线的至少一个轴向位置上连续地或近似连续地测量所述旋转装置的误差。这例如在使用电容式或者光学式测量传感器的情况下是可能的，这些测量传感器测量与旋转装置的可旋转部件一起旋转的检查体(也称为校准体)的位置或者相对位置。优选地，如此测量旋转轴线在每种情况下的误差，使得所有误差源或者所有主要的误差源都被考虑。重要的是这样的误差源：如果该误差源可以给旋转装置的总误差提供主要贡献。
例如，旋转轴承在其轴向位置上不允许横向于旋转轴线的平移偏差，则可以忽略旋转装置在旋转轴承的轴向位置上的平移误差。因此，该测量组件必须如此设计并且测量必须相应地执行，使得关于实际旋转轴线相对于理想旋转轴线的运动的所有重要的自由度的误差被检测。还将更详细地讨论该测量组件的实施例。例如，可以将用于执行测量的校准体布置在旋转装置的可旋转部件上，其中，所述校准体在至少两个不同的轴向位置上具有参照实际旋转轴线旋转对称的测量体，并且在所述旋转装置的可旋转部件的旋转位置不同的情况下分别在测量体的轴向位置上沿着两个不同的、互相交叉的方向测量该旋转装置的径向位置。以这种方式，在轴向测量位置上可以直接测量与径向位置有关的旋转位置，并且也可以由此求取到实际旋转轴线相对于理想旋转轴线的倾翻，例如分别对于单个旋转位置而言。代替单个校准体，也可以使用包括多个校准体的组件。代替上述校准体，例如也可以使用其它校准体，例如多个校准球，所述校准球大致并排地设置在旋转轴线的相同的轴向位置上并且相互连接，例如，以所谓的球板的形式。利用本身已知的测量方法可以测量这些球在空间中的球心点的位置(即它们的三维坐标)，更确切地说，针对旋转装置的不同旋转位置。
通过测量获得所述旋转装置的测量到的误差。现在由这些测量到的误差可以求取该旋转装置的预期误差，所述预期误差相应地针对坐标测量装置或者工具机的加工工具的工作位置和工作取向被预期。在此可以特别是在测量到的误差值之间内插和/或外推。此外也可以在已经求取到的预期误差值之间内插和/或外推。其结果是，例如对于坐标测量装置或加工工具可能的工作位置的范围和/或可能的工作取向的范围分别获得旋转装置的预期误差。由所述预期误差(该预期误差在误差测量的测量点上可以与测量到的误差相等)现在可以求取至少一个工作位置和/或工作取向，特别是如上所述地针对旋转装置的误差已经一般性地描述。
特别是按以下建议：一种用于在确定工件的坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的方法，其中，所述旋转装置在确定坐标期间或者在加工工件期间允许工件绕着旋转装置的旋转轴线进行旋转运动，并且所述方法包括以下步骤：
-所述旋转装置由于旋转轴线的实际位置以及实际取向为一方、与旋转轴线的相应的理想位置以及理想取向为另一方之间的偏差所导致的误差在旋转角度的范围内、也就是在旋转装置的两个能够相对于彼此绕着旋转轴线旋转运动的部件的旋转位置不同的情况下被测量并且相应的误差测量值被求得，
-由所述误差测量值求取所述旋转装置的预期误差值，所述预期误差值分别针对用于确定所述工件的坐标的坐标测量装置或者用于加工所述工件的工具机的加工工具为一方、与所述旋转装置为另一方的相对工作位置和工作取向被预期；
-由所述旋转装置的预期误差值求取坐标测量装置或者加工工具的至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向，在用于确定所述工件的坐标的预给定的测量任务中或者用于加工所述工件的、预给定的加工任务中使所述旋转装置的预期误差值：
-比针对其它工作位置和/或工作取向的情况小；和/或
-满足预给定的条件。
此外建议一种用于在确定工件的坐标或加工工件时降低旋转装置的误差的组件，其中，所述旋转装置在确定所述坐标期间或者在加工所述工件期间允许所述工件绕着所述旋转装置的旋转轴线进行旋转运动，并且所述组件具有以下部件：
-测量组件，该测量组件被设计用于，使所述旋转装置由于旋转轴线的实际位置以及实际取向为一方、与旋转轴线的相应的理想位置以及理想取向为另一方之间的偏差所导致的误差在旋转角度的范围内、也就是在旋转装置的两个能够相对于彼此绕着旋转轴线旋转运动的部件的旋转位置不同的情况下被测量并且相应的误差测量值被输出至预测装置，
-预测装置，该预测装置被设计用于，使由所述测量误差值来求取所述旋转装置的预期误差值，所述预期误差值相应地针对用于确定所述工件的坐标的坐标测量装置或者用于加工所述工件的工具机的加工工具为一方、与所述旋转装置为另一方的相对工作位置和工作取向被预期，
-求取装置，所述求取装置被设计用于，由所述旋转装置的预期误差值来求取所述坐标测量装置的或者所述工具机的至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向在用于确定所述工件的坐标的预给定的测量任务中或者用于加工所述工件的预给定的加工任务中使所述旋转装置的预期误差值：
-比针对其它工作位置和/或工作取向的情况小；和/或
-满足预给定的条件。
特别的是，旋转装置的不同误差根据误差源来区分地和/或根据实际旋转轴线相对于理想旋转轴线的运动自由度来区分地测量和/或求取。不同的误差源例如是实际旋转轴线在不同方向上的倾翻和实际旋转轴线在不同方向上的移动。实际旋转轴线相对于理想旋转轴线的运动的不同自由度例如是横向于实际的或理想旋转轴线以及沿着实际的或理想的轴线的方向的平移自由度。由不同误差可以获得例如关于良好的工作位置和/或工作取向的直接认识。但也可以分析处理所述旋转装置的预期总误差，例如在确定的工作位置和/或工作取向上或者在工作位置的范围和/或工作取向的范围内。
尤其也可以的是，在分析处理该预期误差值并且特别是预期总误差时考虑关于工件的预期形状的认识，该工件的坐标要被测量。例如，可以用已知的制造方法来制造所述工件，所述制造方法可以通过工件的表面的基本上旋转对称的走向来预期与理想旋转对称的形状的周期误差。通过模拟测量坐标的测量过程或者该测量过程中的至少一部分可以求取坐标测量装置的工作位置和/或工作取向，所述工作位置和/或工作取向允许了以较小误差来确定工件与理想形状的周期性形状偏差。例如，测量任务可以要求的是，能够以小于预给定的界限值的误差来测量工件的表面上的部位，针对这些部位被预期与理想形状的最大偏差。可选地可以确定参照旋转装置这样的测量方向：其中，能够以旋转装置的最小的预期误差来测量周期性形状偏差。
特别的是，如上所述，至少一个工作位置和/或工作取向可以通过模拟工件的坐标测量或加工来求取。因此，工作位置和/或工作取向最佳地针对相应的任务被求取。
特别的是，在求取所述至少一个工作位置和/或工作取向时基于这样的测量任务：根据该测量任务来扫描式探测工件的表面。工件的扫描式(例如接触式或者光学式)探测通常例如用于测量大致旋转对称的表面区域并且在短的时间内得出测量结果。
本发明具有这样的优点：与完整的校准相比，旋转装置的误差的测量被简化，因为由测量到的误差来计算出预期误差。因此，旋转装置的误差的测量可以例如每次在工件的测量或加工之前更频繁地重复。
特别的是，由旋转装置的预期误差值求取到的至少一个工作位置和/或工作取向被求取装置输出至坐标测量装置的或工具机的控制器。在此可以的是，求取装置是控制器的一部分。在此情况下输出至控制器的另一部分，该另一部分控制通过坐标测量装置的工件测量或者通过工具机的工件加工。以这种方式可以在求取所述至少一个工作位置和/或工作取向之后自动地开始工件的测量或者工件的加工。
所述坐标测量装置例如是用于接触式探测或者光学式探测工件的探测器。可替代地可以是这样的传感器(例如测量头)：该传感器配置用于根据工件的测量来生成信号，由所述信号可以确定所述工件的坐标。所述坐标测量装置例如是坐标测量仪的一部分。所述工具机的加工工具可以是例如切削工具或者磨削工具。
本发明的范围还包括这样的坐标测量仪：该坐标测量仪具有用于减少旋转装置的误差的组件。特别地，所述坐标测量仪可以使求取装置与坐标测量仪的控制器连接，从而可以根据坐标测量装置的求取到的至少一个工作位置和/或工作取向来控制工件的坐标的测量。
如已经提到的，本发明可以在工具机领域中应用。通常的是，工具机具有两个旋转装置(通常称为主轴)。一个主轴使工件在加工期间旋转。另一个主轴允许加工工具的旋转。在此，所述两个主轴的旋转轴线在许多情况下相互平行。通过本发明可以使所述工具主轴被置于有利的旋转位置中(进而处于相应的工作取向中)和/或被置于沿着所述工件主轴的旋转轴线的有利的工作位置中。
特别地，可以由旋转装置的求取到的预期误差值来生成误差图或者误差模型。所述误差图或者所述误差模型可以例如被存储在数据存储器中，坐标测量仪的或者工具机控制器具有至该数据存储器的访问权限。所述误差图与所述误差模型之间的区别在于，在误差图中存储针对相应的工作位置和/或工作取向的误差值，而误差模型包括至少一个计算指令：如何能够由关于所希望的工作位置/或工作取向上的误差值的信息来计算出预期误差值。误差图与误差模型的组合是可能的。例如，误差模型可以确定：如何由被包含在误差图中的误差值针对其它工作位置和/或工作取向来确定预期误差值。尤其是，上文提到的对旋转装置的误差的其它影响(例如工件的重量)也可以通过相应地给影响因素或者影响因素的组合配属的不同的误差图和/或误差模型来考虑。在此，误差图和误差模型的组合是可能的。
特别是，误差模型可以具有关于旋转装置的信息(例如，该旋转装置的可旋转部件的轴承的刚度)并且可以在使用该信息的情况下针对至少一个工作取向和/或工作位置计算出旋转装置的预期误差值，这些预期误差值可以对于确定的、特别是预给定的任务被预期。例如，误差模型可以以这种方式来考虑由于在工件加工或者工件测量时作用的力所造成的工作条件的变化。
特别的是，坐标测量仪的或工具机的控制器可以关于所述旋转装置的误差方面求取有利的工作取向和/或工作位置并且给使用者提出建议。如上面提到的，控制器可以替代地或附加地自动针对工作过程来应用这些有利的工作位置和/或工作取向。
在工具机的领域中，本发明也特别适用于快速旋转的旋转装置、特别是工件主轴，因为在旋转速度高的情况下可以(例如通过相应地跟踪加工工具)不补偿该旋转装置的误差。
本发明也适用于结合旋转装置的误差在计算方面的修正。例如，旋转装置可以被校准并且可以储存相应的修正值以修正该旋转装置的误差，例如，用于坐标测量仪的或者工具机的控制器的访问。根据本发明的方法可以在这种情况下在考虑修正的情况下求取针对不同的工作位置和/或工作取向的预期残余误差并且如已述地作为旋转装置的预期误差来使用。
代替于旋转装置的误差在计算方面的修正以及预期残余误差在计算方面的求取，可以在考虑修正的情况下执行旋转装置的误差的测量并且可以以这种方式测量该残余误差。由此又可以又求取到预期误差值。
附图说明
现在参考所属附图来说明本发明的实施例。附图的各个示图示出了：
图1：用于坐标测量仪的旋转装置、特别是旋转台，其中，在所述旋转装置的可旋转部件上设有旋转对称的部分(在此为柱体)，该旋转对称的部分的对称轴线与旋转装置的旋转轴线重合，并且示意性地示出例如坐标测量仪的传感器的已确定的工作位置和工作取向；
图2：图1的示图，其中，传感器的工作取向与工作位置被选择为不同于图1；
图3：图2中组件的俯视图，用于说明传感器的工作取向与坐标轴夹成的角度；
图4：具有旋转装置的组件，特别是根据图1至图3的旋转装置，其中，一校准体与所述旋转装置组合，该校准体具有两个旋转对称的测量体，以便测量所述旋转装置的实际旋转轴线相对于该旋转装置的理想旋转轴线的倾翻和移动；
图5：旋转装置(例如根据图1至4之一的旋转装置)的实际旋转轴线与理想旋转轴线的几何关系的示意图；
图6：曲线图，该曲线图示出了旋转轴线参照坐标轴(例如x轴)的平移误差与旋转装置的可旋转部件相对于该旋转装置的固定部件的旋转角度的关系，所述坐标轴垂直于所述旋转装置的旋转轴线延伸并且是位置固定的坐标系的一部分；
图7：曲线图，该曲线图示出了旋转装置的实际旋转轴线相对于该旋转装置的理想旋转轴线的倾斜误差(倾翻角度)与旋转装置的可旋转部件相对于固定部件的旋转角度的关系，其中，仅观察绕着坐标轴(例如y轴)的倾翻，该倾翻垂直于坐标轴(例如x轴)延伸，参照图6中的平移误差，也就是说，根据图6和图7中示图的误差可以加强或者补偿；
图8：示图，该示图示出了图6中示出的平移误差以及图7中示出的旋转误差针对旋转装置一次完整回转所导致的误差与沿着旋转轴线的工作位置的关系；
图9：曲线图，该曲线图示出了旋转装置类似于图6、但参照不仅垂直于所述旋转轴线而且垂直于所述第一坐标轴延伸的第二坐标轴的平移误差作为可旋转运动部件的旋转位置的函数；
图10：曲线图，该曲线图相应于图7示出了旋转误差，该旋转误差可以加强或者补偿图9中示出的旋转误差；
图11：平移误差在工作取向确定的情况下基于图6和图9中示出的测量到的平移误差与旋转装置的可旋转部件的旋转位置的关系；
图12：针对第一工作取向和第一工作位置，旋转装置的总误差(即考虑到平移误差和旋转误差)作为可旋转部件的旋转位置的函数；
图13：针对第二工作取向和第二工作位置，旋转装置的总误差作为可旋转部件的旋转位置的函数；
图14：针对第三工作取向和第三工作位置，总误差作为可旋转部件的旋转角度的函数；并且
图15：示意性地示出了这样的组件：该组件具有旋转装置、测量组件、预测装置、求取装置和坐标测量仪的或者工具机的控制器。
具体实施方式
在图1中所示的旋转装置具有可旋转部件11，该可旋转部件可以相对于所述旋转装置的不可旋转部件12绕着理想旋转轴线旋转，该理想旋转轴线在图1的示图中与笛卡尔坐标系xyz的z轴(例如竖直轴)重合。但是，旋转装置11、12的实际旋转轴线不同于理想旋转轴线，因为旋转装置带有误差。
图1示出了设置在可旋转部件11的表面上的柱状部件13，该柱状部件的柱体轴线沿着旋转装置11、12的实际旋转轴线的方向取向。对于下述想法被假定的是，柱状部件13不具有形状误差(即为理想柱体)。当坐标测量仪或类似物的传感器或者探测器使工具机的加工工具沿着以双线箭头s1所示的方向朝着柱状部件13的表面取向并且当旋转装置的可旋转部件11旋转并且因此柱状部件13一起旋转时，旋转装置的误差(即实际旋转轴线与理想旋转轴线的偏差)对测量或者加工造成影响。如下面更详细地解释，与探测器、传感器或者工具的工作位置和工作取向有关的误差以不同的方式造成影响。在图1中所示的情况中，工作位置沿着坐标系xyz的z轴朝上移动了值△z并且平行于x轴延伸。如朝两个方向指向的箭头沿着x轴表示的那样，旋转装置11、12的误差可以使柱状部件13的外周表面沿着x轴在所述两个方向上移动，也就是说，在可旋转部件11一次完整旋转的情况下部件13的表面区域的x位置沿着x方向往复波动，探测器、传感器或者工具朝该表面区域取向。
图2示出了图1的组件，但其中工作取向改变。在所示出的情况中，工作位置也如图1中同样以值△z超过坐标系的xy平面(该平面例如也是旋转台表面的平面)。工作取向也垂直于z轴延伸，但与平行于x轴的平行线夹成角度θ。相应的俯视图在图3中示出。
不仅图1中而且图2中都通过绕着x轴或y轴拱曲的线上的箭头表示：在可旋转部件11旋转时，旋转装置的实际旋转轴线可以绕着x轴和y轴倾翻(即旋转或转动)。
旋转装置(特别是根据图1至图3的旋转装置)的误差的测量在图4中示出。所述测量组件具有四个测量传感器，这些测量传感器的测量方向通过以标号s2、s3、s4、s5标记的箭头表示。测量传感器未详细地示出并且可以例如固定在共同的保持部2上，该保持部设置在位置固定的装置1上。图4中的示图理解为示意性的。在实际中，该组件的不同的机械设计是可能的。
具有测量方向s2、s3的测量传感器朝着校准体4的第一球形区域K1取向。具有测量方向s4、s5的测量传感器朝着校准体4的第二球形区域K2取向。在这里，球形区域K1、K2位于沿着旋转装置11、12的实际旋转轴线A1的不同的轴向位置上。从图4可以看出，实际旋转轴线A1相对于理想旋转轴线A2倾斜地延伸或者相对于该理想旋转轴线歪斜地延伸。
图4的实施例中的校准体4是这样的杆：该杆以其纵向轴线沿着实际旋转轴线A1的方向延伸并且在此具有上述的球形区域K1、K2。球形区域K1、K2的中心点位于实际旋转轴线A1上。替代的校准体是可能的。例如，柱状体(例如图1至图3中的柱状体13)用作校准体，并且传感器可以分别成对地朝着不同的高度位置(或z-位置)取向。优选地，传感器分别成对地相互垂直取向。然而，这不是强制必须的，但简化了测量的分析处理。另外优选的是，所有四个测量传感器的测量方向都垂直于理想旋转轴线A2取向。可选地，还可以附加地使用另一测量传感器，该另一测量传感器测量所述校准体的上部(也就是图4中的第一球形区域K1)的z-位置。
在旋转装置的可旋转部件11相对于固定部件12的旋转位置不同的情况下(例如以1°的角度间距)，此时沿着测量方向s2-s5分别测量至球形区域K1、K2的间距和/或球形区域K1、K2的或者该球形区域表面的位置。以这种方式，由四个测量传感器测出旋转装置的总误差在两个不同的z-位置上的x-和y-分量。由此可以确定该旋转装置的平移误差和旋转误差。平移误差由此定义：该平移误差在可能的工作位置的整体区域上(或整体高度上，在此沿着z方向)以相同的方式造成影响，但是与可旋转部件的旋转位置有关。与此相反，旋转误差在可能的工作位置的整体区域上不同地造成影响。对此还依据图5详细讨论。不仅旋转误差而且平移误差一般都与可旋转部件11的旋转位置有关。由此得出，利用单个测量传感器或者以一个确定的工作取向中无法在旋转装置的平移和旋转误差之间区分。反过来得出，存在这样的工作取向和工作位置：与其它工作取向和工作位置相比，对于所述工作取向和工作位置而言平移和旋转误差被更好地补偿(参照较小的误差值)。对此还将更详细地讨论。
此外，以下假定能够单独考虑且校正所述校准体和所述工件的偏心和倾翻。因此进一步假定理想的旋转对称的校准体。
由旋转装置的误差所获得的测量值可以例如在第一步骤中计算出：与在测量时相比，哪些测量误差会在其它z-位置中出现。例如(如依据图4所描述的)测量在图5中所示的下部的两个z-位置z1、z2上被执行。图5示出了坐标系xyz的xz平面中的示图。实际旋转轴线A1或者该实际旋转轴线到xz平面上的投影相对于理想旋转轴线A2以角度α倾斜。因此，在位置z1上例如确定比在位置z2上要小的、与理想状况的偏差(这种偏差当发生绕着理想旋转轴线的旋转运动时会存在)。在z-位置z1、z2上的误差之差为△x。由此可以针对第三z-位置z3计算出与理想状况在x方向上的偏差，如图5所示。与z-位置z1相比，在z-位置z3中与理想位置的偏差△x'较大。
以这种方式，可以针对z方向上整个相关区域计算出不仅沿着x方向而且以类似的方式沿着y方向的偏差，更确切地说，对于x方向上的偏差根据下面的公式计算：
x2＝x1–sin(α)*(z1-z2)
在该公式中，x1、x2表示实际旋转轴线A1在x方向上的位置或所述实际旋转轴线到xz平面中的投影；z1、z2表示z-位置；并且α表示图5中示出的、实际旋转轴线A1与理想旋转轴线A2之间的角度。然而，该公式不仅适用于误差测量的所述两个z-位置，而且也相应地适用于两个任何其它z-位置(包括测量位置和待计算的位置)。以同样的方式实现y-位置的计算，其方式是：通过y2替换x2且通过y1替换x1，并且实际旋转轴线A1到yz平面上的投影被考虑。另外，通过相应的倾斜角度替换角度α，该相应的倾斜角度描述了yz平面中的倾翻。
在图6中示出了例如旋转装置仅在x方向上的平移误差作为可旋转部件(例如图1至图4中的部件11)的旋转位置的函数。由测量到的总误差如上所述得出平移误差，其方式是：求取总误差的部分作为平移误差，所述部分对于相应旋转位置上的所有z位置都相同。
如图6所示，沿着x方向的平移误差在可旋转部件的旋转过程中波动。被示出的是一次整体的回转，并且水平轴的刻度同样可以被识别。在此，沿着竖直轴在大约-5×10-6m至大约+5×10-6m之间的范围内示出x方向上的平移误差分量。
在x方向上造成影响的相应的旋转误差(也就是说，例如归因于实际旋转轴线A1仅绕着y轴的倾翻)在图7中示出。
如上所述，平移误差不会以不同的方式在可能的z值范围内造成影响。与此相反，旋转误差在可能的z值的范围内波动。因此，总误差(该总误差由平移和旋转误差组成)与z-位置相关地波动。如果工作取向可以仅通过z-位置来说明(例如因为工作取向总是垂直于理想旋转轴线地指向)，则由图6和图7中示出的平移和旋转误差得出图8中所示的总误差与z-位置的关系(即与工作位置的关系，该工作位置可以通过z-位置明确被描述)。在此，总误差作为所述可旋转部件的整体回转中误差的最大值与最小值之间的差值被给出。
在图8中可以看出的是，总误差在0至0.2m的可能的z-位置的范围内位于大约1×10-6m至9×10-6m的值之间并且在大约z＝0.12m处具有最小值。因此，如果仅发生图6和图7中所示的误差(即没有在y方向上造成影响的误差)或者如果工作取向平行于坐标系的x轴取向，则因此有这样的建议：选择0.12m的高度或z-位置上的工作位置。在这种工作位置和所述的工作取向的情况下，旋转装置的误差最小。
之前所描述的情况(其中，仅考虑沿着x方向的误差)现在被拓宽到一般情况，在所述一般情况中也可能会发生沿着x方向的误差或工作取向不总是平行于x方向延伸。
图9和图10示出了相应于图6和图7的、平移误差(图9)和旋转误差(图10)的相关性，这些误差在y方向上造成影响。在图11中示出了针对确定的工作取向的平移总误差(即，由图6和图9中所示的误差得出的总误差)。所述总误差可以由沿着x方向造成影响的误差sx和沿着y方向造成影响的误差sy通过下面的公式计算：
在此，θ表示依据图2和图3引入的、工作取向的角度，并且φ表示旋转装置的可旋转部件的旋转角度，该旋转角度也在图6、图7、图9和图10的曲线图中以及在其它曲线图中沿着水平轴表示。
通过图11与图6以及图9的比较可以看出，在x方向和y方向上的误差分量被部分地补偿。与图6以及图9相比，在图11中误差值处于较小的范围内。然而，这与所选择的工作取向相关，即例如探测器、传感器或者工具相对于旋转装置取向。工作取向被选择为θ＝45°。
以相应的方式可以计算出旋转总误差，该旋转总误差(与平移总误差一样)也与工作取向(即角度θ)相关并且附加地也与工作位置相关(即在z方向上的位置)。
因此，在图12至14中仅针对三对选定的工作位置和工作取向来示出在x方向和y方向上的平移误差的总误差以及在x方向和y方向上的旋转的相关性。因为旋转总误差不仅与工作取向而且与工作位置相关，因此这也适用于旋转和平移的总误差。
在图12中所示的工作位置例如为0。工作取向同样为0。总误差在8.7微米的范围内波动。在图13的情况中，工作位置z＝0.144m。工作取向为θ＝3.3弧度。总误差的值在旋转装置的可旋转部件的一次回转中在0.35微米的范围内波动。对于图14中的结果，工作位置z＝0.047m和工作取向θ＝0.34弧度。这些误差值在4.7微米的范围内波动。
因此，属于图13中的曲线图的工作位置和工作取向造成了：在可旋转部件的一次回转中的最小误差，并且因此会建议三对可能的工作位置和工作取向的比较。
不必给出在所有情况中考虑到可旋转部件的一次完整回转的建议。更确切的是，也可以想到测量任务和加工任务，根据这些任务可以使可旋转部件仅在一次回转的部分范围上旋转。因此可以得出不同于针对一次完整回转而是针对工作位置和工作取向的建议。
图15示意性地示出了具有旋转装置(例如根据图1至图4的旋转装置)的组件。旋转装置的可旋转部件11可以相对于不可旋转部件12旋转。测量组件21配置用于，测量该旋转装置11、12的误差并且将相应的误差值供给至预测装置23。该预测装置23配置用于，由误差测量值求取所述旋转装置11、12的预期误差值，所述误差值相应地针对用于确定工件(在图15中未示出)的坐标的坐标测量装置或者用于加工工件的工具机的加工工具为一方、与旋转装置为另一方的相对工作位置和工作取向被预期。求取装置25与预测装置23连接并且配置用于由旋转装置11、12的预期误差值来求取这样的至少一个工作位置和/或工作取向：旋转装置11、12的预期误差值适用于所述至少一个工作位置和/或工作取向。至少一个由求取装置25求取到的工作位置和/或工作取向被供给至坐标测量仪的或者工具机的控制器27，所述控制器特别是以至少一个求取到的工作位置和/或工作取向来自动地控制工件的测量或者工件的加工。

Claims (12)

1.一种用于在确定工件(13)的坐标时或者在加工工件(13)时降低旋转装置(11，12)的误差的方法，其中，所述旋转装置(11，12)在确定所述工件(13)的坐标期间或者在加工所述工件期间允许所述工件(13)绕着所述旋转装置(11，12)的旋转轴线进行旋转运动，并且所述方法具有以下步骤：
-在旋转角度的范围内、也就是在所述旋转装置(11，12)的两个能够相对于彼此绕着所述旋转轴线旋转运动的部件的旋转位置不同的情况下测量所述旋转装置(11，12)的由于所述旋转轴线的实际位置以及实际取向为一方、与所述旋转轴线的相应的理想位置以及理想取向为另一方之间的偏差所导致的误差并且获得相应的误差测量值，
-由所述误差测量值求取所述旋转装置(11，12)的预期误差值，所述预期误差值分别针对用于确定所述工件(13)的坐标的坐标测量装置或者用于加工所述工件(13)的工具机的加工工具为一方、与所述旋转装置(11，12)为另一方的相对工作位置和工作取向被预期；
-由所述旋转装置(11，12)的预期误差值求取所述坐标测量装置或者所述加工工具的至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向使所述旋转装置(11，12)的预期误差值在用于确定所述工件(13)的坐标的预给定的测量任务中或者用于加工所述工件(13)的预给定的加工任务中：
-比针对其它工作位置和/或工作取向的情况小；和/或
-满足预给定的条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述旋转装置(11，12)的预期误差值求取到的至少一个工作位置和/或工作取向被输出至所述坐标测量装置的或者所述工具机的控制器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个工作位置和/或工作取向通过模拟所述工件(13)的坐标测量或者加工来求取。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在求取所述至少一个工作位置和 /或工作取向时以这样的测量任务为基础：根据该测量任务来扫描式探测所述工件(13)的表面。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，在求取所述至少一个工作位置和/或工作取向时以这样的测量任务为基础：根据该测量任务来扫描式探测所述工件(13)的表面。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据求取到的至少一个工作位置和/或工作取向来控制工件的坐标的测量或者所述工件的加工。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，根据求取到的至少一个工作位置和/或工作取向来控制工件的坐标的测量或者所述工件的加工。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，根据求取到的至少一个工作位置和/或工作取向来控制工件的坐标的测量或者所述工件的加工。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，根据求取到的至少一个工作位置和/或工作取向来控制工件的坐标的测量或者所述工件的加工。
10.一种用于在确定工件(13)的坐标时或者在加工工件(13)时降低旋转装置(11，12)的误差的组件，其中，所述旋转装置(11，12)在确定所述工件(13)的坐标期间或者在加工所述工件期间允许所述工件(13)绕着所述旋转装置(11，12)的旋转轴线进行旋转运动，并且所述组件具有以下部件：
-测量组件(21)，该测量组件被设计用于，在旋转角度的范围内、也就是在所述旋转装置(11，12)的两个能够相对于彼此绕着所述旋转轴线旋转运动的部件的旋转位置不同的情况下测量所述旋转装置(11，12)的由于所述旋转轴线的实际位置以及实际取向为一方、与所述旋转轴线的相应的理想位置以及理想取向为另一方之间的偏差所导致的误差并且将相应的误差值输出至一预测装置，
-预测装置(23)，该预测装置被设计用于，由所述测量误差值来求取所述旋转装置(11，12)的预期误差值，所述预期误差值分别针对用于确定所述工件(13) 的坐标的坐标测量装置或者用于加工所述工件(13)的工具机的加工工具为一方与所述旋转装置(11，12)为另一方的相对工作位置和工作取向被预期，
-求取装置(25)，所述求取装置被设计用于，由所述旋转装置(11，12)的预期误差值来求取所述坐标测量装置的或者所述加工工具的至少一个工作位置和/或工作取向，针对所述至少一个工作位置和/或工作取向使所述旋转装置(11，12)的预期误差值在用于确定所述工件(13)的坐标的预给定的测量任务中或者用于加工所述工件(13)的预给定的加工任务中：
-比针对其它工作位置和/或工作取向的情况小；和/或
-满足预给定的条件。
11.一种坐标测量仪，其具有根据权利要求10所述的组件。
12.根据权利要求11所述的坐标测量仪，其中，所述求取装置与该坐标测量仪的控制器(27)连接，从而所述控制器(27)能够根据所述坐标测量装置的求取到的至少一个工作位置和/或工作取向来控制工件的坐标的测量。
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