CN111318802B - 轴运动校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴运动校正的方法。提供了一种用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，所述定位机器具有至少两个机器框架部件和用于机器框架部件的相对移动的至少一个轴移动组件，所述至少一个轴移动组件包括多个轴导向部件，每个轴导向部件和每个机器框架部件具有安装表面。为考虑的轴确定安装表面校正轮廓，而所述安装表面校正轮廓描述根据所述考虑的轴的机械校正的位置变化的校正量。确定的安装表面校正轮廓通过加工被施加至轴导向部件的安装表面或所述考虑的轴的机器框架部件的安装表面。

Description

轴运动校正的方法

技术领域

本发明涉及一种机械校正方法，以提高诸如机床、测量机、机械手和机器人的定位机器的轴移动的几何精度。

背景技术

机床、坐标测量机等是高精度定位机器，其构建由基座和连接工件和刀具侧的多个线性和/或旋转轴构成的结构环。结构环被定义为机械部件的组件，这些部件在指定对象之间保持相对位置。在机床中，结构环包括机器框架、导轨、轴承、驱动器、传动装置以及刀具和工件夹具。机器框架包括床、立柱、台、控制台、横梁等。

这些部件的主要任务是在关于精度和速度的附加要求下，提供工件侧和刀具侧在刀具中心点(TCP)处的相对运动，同时还提供机械刚度，以最小化预期运动的偏差。

在机床中，许多零件相互作用以达到最终精度，例如几何运动误差、热机械误差、载荷、动态力和运动控制。在这方面引用了以下文件：Schwenke H., Knapp W., HaitjemaH., Weckenmann A., Schmitt R., Delbressine F.,"Geometric error measurementand compensation of machines - An update", Annals of the CIRP 57(2), pp.660-675。

在硬件方面，要解决几何运动误差和载荷，以提高机器的静态或准静态精度。

几何运动误差是由于机器部件的几何形状和尺寸不完美以及它们在机器结构环中的配置、轴未对准和机器测量***中的误差导致的误差。对于几何误差的描述，在ISO230-1中区分了误差运动和位置及取向误差，并显示了对应的测量程序。对于在TCP处的最终位移的测试，ISO 230-2重点描述了数控轴的定位的精度和可重复性。除此之外，ISO230-11还涉及适用于机床几何测试的测量仪器。在ISO 10791-1和ISO 10791-2测试中定义了互补性，而在ISO 10791-4中定义了ISO 230-2中给出的定位测试的公差。

由于机器部件的有限刚度，它们的位置和尺寸会因内力和外力而改变。在某些情况下，例如工件或机器的移动托架的重量和位置对机器的精度有显著影响。例如，如果直的导轨由于移动滑块的重量而弯曲，滑块将显示竖直直线度偏差和俯仰误差运动。

由于机器部件中影响TCP处的精度的众多几何偏差不能通过专门制造以合理努力减少，机床(MT)和坐标测量机(CMM)中的***误差的补偿的历史由来已久。

存在基本上不同的方式来补偿机器中的误差；例如，托架导向件的直线度误差可以通过纯硬件技术(例如刮削导向件)或软件技术(修改指示托架横向位置的数字)来补偿。

基于测量的软件补偿受到许多方面的限制，包括测量的不确定性和机械***的可重复性。误差的变化率分别限定了测量和校正点的密度。对于1m³的工作体积，50mm的点间隔导致2.7万个体积3D误差补偿值。需要数字控制(NC)在运动过程中在线生成校正的设定点的能力。对具有明显滞后的机器应用数值补偿也可能具有负面影响。例如，为了加工XY平面，Z轴将以小的增量连续移动并改变方向，以补偿X轴和Y轴的竖直直线度偏差，这可能导致平面度的提高。然而，这种运动与Z轴的滞后结合可能会损害表面光洁度质量。另外，为了校正旋转误差，将需要相应的旋转轴，旋转轴在三轴机器的情况下是不可用的。

在CMM上，只有接触点的3D位置是感兴趣的，并且可以在探测之后离线确定，而在MT上，通常必须在整个移动过程中实时控制5或6个自由度。

由于这些原因，在MT上主要应用俯仰校正，校正丝杠或线性标尺的误差，这不需要额外的轴移动，因此不容易产生滞后效应。

硬件校正技术包括结构机械部件的导轨安装表面的几何形状的修改，以消除或至少减少几何缺陷的影响。迄今为止，至少部分自动化的硬件校正技术的应用受到用可用方法(例如研磨过程)制造预期校正形状的困难的限制。这些方法不能在表面上产生具有微米振幅的限定波纹几何形状。因此，有时会应用手动刮削作为额外的迭代加工步骤，但是手动刮削的不足之处在于人员成本、过程持续时间长以及缺少熟练人员来完成这项工作。

已经进行了若干尝试来克服这些缺陷。已经提出了各种自动机械***，旨在用自动机械装置代替手工实现的刮削刀具的移动，以提高平面度，获得配合表面。例如，在JP5-123921A、JP7-1229A或JP8-187620A中示出了示例，一些示例包括用于辨识待处理区域(即高点)的图像识别。除了平坦配合表面的制造之外，还设法解决了适于促进流体膜形成的特殊表面结构的产生。此外，已经提出了通过使用激光加工过程来代替传统的手动或自动机械刮削的方法。例如，US6769962B2公开了一种方法，其中在高精度刮削过程中通过激光加工来加工表面，以在表面中形成诸如油槽或图案的凹部。另外，WO2014118366A1公开了一种方法，其中通过激光纹理化对导向装置的滑动表面进行微结构化，以增强摩擦行为。微结构化可以包括形成用作油腔的微腔体。在本公开中解决的滑动表面基本上是滑动接触支承表面，即平面导向件。

总之，今天没有可行的解决方案来机械校正几何运动误差和机械校正在机械部件的位移期间由于重力引起的结构环的变形，即机械校正在高精度定位机器中遇到的***偏差。高精度定位机器中***误差的至少部分机械校正是高度期望的，但是由于成本和技术原因，已知的方法具有严重的技术限制，并且缺乏工业适用性。

为了避免疑问，表面结构(例如油腔的形成)和表面均匀性(例如高点的消除，即表面的平面度)仅仅是次要的问题，因为在本发明的方法中，所考虑的表面之间没有运动，并且粗糙度和短长度至中等长度的波纹通过相邻部件表面接触来机械地抑制。

发明内容

本发明的一个目的是克服已知方法的缺点，并为高精度机构的机械校正提供一种改进、快速、精确、高效、可靠和经济上可承受的方法，例如以提供提高的轴运动精度。通过测量有助于轴精度的几何偏差(例如导轨的安装表面)，结合由于重力引起的变形的计算，并考虑到这些偏差的位置相关性，来建立校正。测量和计算的偏差用于确定安装表面校正轮廓。该轮廓用作输入值，以通过激光加工机械修改轴几何形状，以补偿累积偏差。

实质上，本发明公开了一种用于机械校正定位机器的几何运动误差的方法，该定位机器具有至少两个机器框架部件和用于机器框架部件的相对移动的至少一个轴移动组件，该至少一个轴移动组件包括多个轴导向部件，每个轴导向部件和每个机器框架部件具有安装表面，其特征在于，为考虑的轴确定安装表面校正轮廓，而安装表面校正轮廓描述根据考虑的轴的机械校正的位置变化的校正量，并且所述确定的安装表面校正轮廓通过加工被施加至轴导向部件的安装表面或考虑的轴的机器框架部件的安装表面。

由安装表面校正轮廓确定的材料量可以通过合适的加工过程，例如激光加工，被精确和选择性地移除。安装表面校正轮廓根据位置指定要从安装表面移除的材料量。以这种方式，安装表面校正轮廓被快速、精确和永久性地施加至轴导向部件的安装表面或机器框架部件的安装表面，从而实现组装后的定位机器的最佳轴运动精度。

本发明的另一个目的涉及上述安装表面校正轮廓的辨识，该轮廓是通过组合从零件测量得到的偏差和从机械模型得到的与轴位置相关的偏差而得到的。

更具体地，安装表面校正轮廓首先从各个机器框架部件的安装表面的测量几何误差中得出，该几何误差是根据沿着考虑的轴的安装表面的位置确定的直线度误差，和/或其次从由机器框架部件沿着考虑的轴的相对位移(即平移和/或旋转)确定的定位机器的刀具中心点(TCP)的计算偏差中得出。

因此，所述安装表面校正轮廓可以包括反映在各个机器框架部件的安装表面处测量的直线度误差的部分，和/或反映组装后的定位机器的TCP的偏差的计算部分，该偏差是由于配重沿着轴的相对位移以及由于结构环的有限刚度而导致的随后的位置相关变形所引起的，其中变形使用机器模型计算。

根据本发明的一个方面，在测量配置中，首先通过测量来确定各个机器框架部件的安装表面的几何误差，然后考虑到各个机器框架部件经历的变形来校正所述测量。以这种方式，在各个机器框架部件的安装表面处测量的偏差没有由特定测量设置引起的偏差。

特别地，在测量配置中，各个机器框架部件的安装表面的几何误差首先通过测量各个机器框架部件的安装表面的直线度或平面度来确定，并且对于所述测量配置，计算各个机器框架部件由于安装表面处的重力引起的静态变形，最后，通过从首先测量的几何误差中减去测量配置中出现的计算变形来计算各个机器框架部件的安装表面的调整后的几何误差。测量配置中的静态变形是使用机器框架部件的模型计算的。

根据本发明的另一方面，考虑到机器框架部件相对于重力的取向并考虑到支撑点和/或固定点的位置和刚度，优选地通过数值模拟来确定在测量配置中出现的各个机器框架部件的计算静态变形。

根据本发明的另一方面，定位机器的TCP的计算偏差在机器框架部件的安装表面处被转置，使得TCP的计算偏差被抵消。这种转置是利用表示位置相关变形的机器模型结合数学优化方法进行的，这些方法将TCP偏差和安装表面的几何修改联系起来。

根据本发明的另一方面，考虑到考虑的轴的轴导向部件的几何误差，进一步得出安装表面校正轮廓，所述轴导向部件是考虑的轴的轴导轨(包括轨道和/或托架)和中间部件(特别是填隙箔或填隙块)中的一个或多个。

通过测量轴移动组件的轴导向部件的几何偏差、相应的尺寸变化(厚度或高度变化)，测量的偏差可以用作安装表面校正轮廓的计算中的输入值。相关的尺寸变化例如是导轨轨道的滚珠滚道沿其延伸方向的高度变化。以这种方式，不仅加工的机器框架部件的几何偏差，而且例如导轨的各个几何偏差也被辨识并考虑到机械校正中。

根据本发明的另一方面，安装表面校正轮廓被计算为下列之和：

·沿着考虑的轴的机器框架部件的安装表面的倒置的调整的几何误差，和

·一个或多个轴导向部件沿着考虑的轴的安装表面的倒置几何误差，和

·由机器框架部件沿着考虑的轴的相对位移确定的定位机器的TCP的计算偏差，其在机器框架部件的安装表面处被转置。

换句话说，轴导向部件和机器框架部件的安装表面的实际几何形状的测量偏差与关于由于从机器模型得出的轴运动引起的结构部件的弹性变形的信息一起被用于生成安装表面校正轮廓，该轮廓用作支撑表面的机械校正的输入。

根据本发明的另一方面，通过在考虑的轴的机器框架部件的安装表面，或者考虑的轴的导轨的轨道的安装表面(即轨道底部或侧表面)，或者中间部件(特别是填隙箔或填隙块)的安装表面处，根据所确定的安装表面校正轮廓移除材料量，来施加考虑的轴的机械校正。

根据本发明的一个方面，通过机械加工、化学加工、热加工或增材制造中的一种，将考虑的轴的机械校正施加至轴导向部件的安装表面。

根据本发明的一个方面，通过激光加工将考虑的轴的机械校正施加至轴导向部件的安装表面。

根据本发明的一个方面，用于机器框架部件的相对移动的轴移动组件是线性轴移动组件或旋转轴移动组件。

根据本发明的一个方面，定位机器是机床、坐标测量机或机械手。本发明适用于任何定位机器，其中两个或更多个零件的相对定位需要精确的轴移动，例如刀具相对于工件的相对定位、探针相对于待测量零件的相对定位、手术机器人对手术器械的相对定位、夹持器或其它端部执行器相对于待组装机器的相对定位等等。定位机器的架构可以是串联、并联或混合运动的。

根据本发明的另一个方面，定位机器具有至少两个机器框架部件和用于机器框架部件的相对移动的至少一个轴移动组件，所述至少一个轴移动组件包括多个轴导向部件，每个轴导向部件和每个机器框架部件具有安装表面，其中定位机器的特征在于，轴导向部件和/或机器框架部件的安装表面中的至少一个根据前述权利要求中的一项所述的方法进行校正。

根据本发明的一个方面，安装表面校正轮廓是通过专用设备施加的，该专用设备特别适于容纳具有主延伸方向的轴导向部件，例如导轨轨道或填隙箔，并实现其安装表面的精确和有效校正。这种用于定位机器的轴导向部件的安装表面的机械校正的装置包括：安装台，其用于安装轴导向部件；一个或多个基准元件，其用于将轴导向部件精确定位在安装台和/或保持装置和/或夹紧装置上，以将轴导向部件抵靠安装台固定；激光单元，其产生激光束，该激光束的轴线相对于安装台基本上正交，安装台和激光单元可在轴导向部件轴线的方向上相对于彼此移动；以及控制单元，其用于控制激光单元的激光束和安装台相对于激光单元的相对位置，从而将安装表面校正轮廓施加至轴导向部件的安装表面。

附图说明

现在通过示例并参考附图进一步描述本发明及其某些实施例。在这些附图中：

图1示出三轴机床；

图2a、2b、2c、2d示出了横梁的安装表面的几何偏差的测量；

图3a、3b、3c示出了在不同轴位置处的机器框架部件的偏转；

图4示出了在安装表面处的校正轮廓；

图5示出了在安装表面处所需的材料移除，以补偿几何缺陷；

图6示出了在安装表面处所需的材料移除，以补偿机器框架部件的计算偏差；

图7示出了在安装表面处所需的材料去除，以补偿测量的填隙箔厚度偏差；

图8示出了为补偿累积的静态误差，在安装表面处所需的材料移除的表示；

图9a、9b示出了滚动元件线性导轨；

图10示出了图示偏差贡献者和安装表面校正轮廓的图表；

图11示出了图示该方法的实施方式的图表；

图12、13示出了通过激光加工进行机械校正的专用设备。

具体实施方式

为了清楚起见，首先解释本发明中使用的多个术语。

根据本发明，术语“安装表面”用于定义轴导轨安装在该处的机器框架部件的支撑表面、导轨的支撑表面，特别是轨道的底部或侧表面，以及中间部件的表面。中间部件是安装在导轨的轨道和机器框架部件的安装表面之间的机械部件。该中间部件是填隙箔。安装表面的尺寸基本上对应于导轨轨道的底部表面。安装表面与轴运动的直线度相关。

根据本发明，导轨、中间部件(填隙片)和与导轨相邻的机器框架部件的安装表面被定义为“轴导向部件”。轴导向部件彼此相邻地钉在一起，共同决定轴运动精度。

根据本发明，“安装表面校正轮廓”定义了在沿着安装表面的每个位置处要移除的材料量，并且用作安装表面的机械校正的输入。校正轮廓指示根据位置沿着安装表面要移除的材料的深度。

根据本发明，术语“机械校正”是指轴的安装表面之一的校正。机械校正包括在垂直于轴方向的方向上在安装表面处移除(或添加)材料。

根据本发明，“机器模型”是表示结构机器部件的几何形状和变形特性的模型。机器模型用于在测量配置中计算机器框架组件的静态变形。机器模型还用于计算由组装后的机器(因此在使用期间)的机器框架部件的位移确定的机器框架的变形。

填隙是一种对准技术，在仅通过可用的加工设备不可能确保结构部件的所需公差的情况下，有时在机床的组装中使用该技术来提高几何精度。通常，采用填隙过程来实现套筒轴（quill）相对于基座的移动的所需正交性。例如，基座承载立柱，立柱承载套筒轴。用于安装线性导向件的托架的立柱的安装表面应正交于安装在基座上的台。正交性误差通过***薄箔(即在托架和它们在立柱上的安装表面之间的填隙箔)来补偿。这些箔通常是钢带，称为填隙箔或填隙板，或简称填隙片。

现在参照图1描述根据本发明的示例性定位机器的相关零件。所示定位机器(在特定情况下是三轴机床)的结构框架99包括由3个或更多个机器安装件19支撑的基座10、立柱11、横向滑动件12、横梁13和套筒轴15。在这些机器框架部件之间存在成对的线性导轨20、30、40。这些导轨是用于高精度线性移动的异形轨道导向件(也是线性运动导向件)。如图9a所示，导轨主要由异形轨道17和托架16(也是块体)组成，且托架内具有再循环滚动元件。在机器框架部件和每个轨道之间存在填隙箔23、33、43。每个轴都具有马达(未示出)，通常是直接驱动的旋转马达***、带有滚珠丝杠的旋转马达***或线性马达。每个轴还具有位置测量装置，通常是玻璃标尺(未示出)。此外，图示的机床具有安装在机器基座10上的固定台3和安装在台3上的工件2。在特定情况下是刀具1的端部执行器通过刀具保持器4安装到套筒轴15。

机器框架部件、立柱11、横向滑动件12、横梁13和套筒轴15具有用于导轨轨道和托架的安装表面。各个机器框架部件的这些安装表面通常通过铣削和磨削被加工，以获得直的安装表面14，然后进行测量，以在明确限定的测量配置中检查与公差的一致性。图2a至2d示出了辨识横梁13的安装表面14的调整后的几何偏差的各个步骤。特别地，图2a示出了横梁13的测量配置，鉴于导轨轨道的安装，横梁13的安装表面14已经被加工。为了更容易接近，横梁13被倒置放置在三个支撑点60上。实线代表理想的、未变形的框架部件，而虚线是变形的夸大表示，在安装表面处有相应的直线度偏差。图2b示出了在安装表面14处的几何偏差的原始测量，例如竖直直线度。框架部件相对于重力和夹具的取向限定了测量配置。使用例如CMM或带有度盘指示器的设备来测量沿着安装表面的直线度。在安装表面14处的竖直直线度测量提供了相对于直边正交的偏差。示例性安装表面具有测量的直线度偏差，其具有突出区域61和凹陷区域62。

在给定的测量配置中确定的直线度偏差的一部分是由于横梁在其自身重量(重力)下的下垂所引起。在图2c中定性描绘的这一部分是考虑到横梁的刚度(由横梁的设计决定)，并考虑到特定的测量配置，使用机器模型，例如横梁和支撑点的有限元模型(FEM)来计算的。计算的下垂考虑了机器框架部件的倒置取向以及支撑点和/或固定点的位置和刚度。总之，在测量配置中测量各个机器框架部件的安装表面的直线度，然后通过测量配置中各个机器框架部件所经历的计算变形来调整测量。图2d示出了在安装表面处调整后的直线度偏差，即根据图2b的几何偏差的原始测量值减去根据图2c的计算的下垂。需要提醒的是，图2a至2d中的表示是以测量配置描绘的，因此相对于组装后的定位机器的情况是相反的。

结构框架99是具有固定台的开放式框架；这种结构的主要固有弱点是在Y轴运动期间横梁13的偏转。图3a、3b和3c是横梁和相邻部件在不同轴位置处的偏转的定性表示。实线代表具有在期望位置处表示的TCP的机器框架部件的理想形状和位置，而虚线则是具有偏移的TCP’的部件变形的夸大表示。已知结构环的变形特别地是由于取决于横梁的轴向位置而被不同地压缩的X轴导轨和Y轴导轨的托架的有限刚度，并且还由于横梁的有限刚性，横梁的变形也取决于导轨的托架的位置，从而取决于横梁的轴向位置。作为变形的贡献者，主要有Y形滑动件本身(横梁13)的重量，以及由Y形滑动件承载的部件的重量，特别是Z轴(套筒轴15)的重量。固定基座10和立柱11的变形微乎其微。如图3a、3b、3c所示，机器部件的变形反映在TCP的偏转或位置误差上，这主要是在Z方向上的偏差。进一步的机器部件偏转产生Z轴相对于X/Y平面的垂直度中的偏差。

为了将Y轴横梁13的位置相关变形考虑在内，沿着轴行程计算TCP处的位移。图4是用于校正在Y轴运动期间在横梁13的Y形导轨安装表面处观察到的变形的计算校正轮廓的定性图示。使用机器模型，特别是有限元模型(FEM)，计算由于重力(即部件重量)和结构环的部件的刚度引起的位置相关变形。优选地，机器组件的所有结构部件都包括它们的特征。为了逼近使用中的条件，可以将典型的刀具重量(例如最大刀具重量的¼)增加到在TCP处的重量上以用于变形的计算。为FEM模型设置的边界条件是，在完全组装的条件下，TCP执行水平移动。

可以看出，各个机器框架部件的模型和带有所有机器框架部件和轴导向部件的整个框架的机器模型被用于预测各个机器部件在它们的测量期间将发生的变形，并预测它们的组件在使用期间的变形。这些知识作为标准零件生产和机械校正的输入的推导的基础。部件模型和机器模型包括结构机器部件的几何形状和变形特性。

轴导向部件具有直线度偏差，通常是竖直和横向直线度偏差，该偏差可使用合适的测量设备测量。导轨轨道具有直线度误差，其可以例如通过将轨道安装在参考表面上并在沿着轨道移动托架的同时测量托架处的高度变化，或者通过将托架安装在固定基座上并移动轨道和测量轨道处的高度变化，或者通过测量各个滚珠轨道沿着轨道的竖直直线度来观察。位置相关的高度偏差使用千分表测量，或者替代地从供应商提供的检查方案中得出。偏差主要是由于轨道的几何误差造成的，并且根据精度等级，偏差在5-50µm的范围内。总之，可以识别并包括根据沿轨道的位置变化的高度变化，以确定安装表面校正轮廓。图7是沿着安装表面测量的轨道的高度偏差的示例性定性图示，其中安装表面的区域具有增加的厚度。

需要注意的是，导轨通常被用作平行对(以确保必要的刚度)，并且由于平均几何和弹性效应，轴运动的最终直线度优于单独导轨轨道的直线度。因此，在Y形滑动件处的接触表面的平面度优选地作为两个轨道的直线度的组合来测量。

如图1所示，中间部件，例如填隙箔23、33、43可以***到机器框架部件的安装表面和导轨的轨道之间。填隙片是可选部件，其可以用于简化定位机器的几何运动误差的机械校正。填隙片有两个侧面；根据本发明，两个表面中的每一个都是“安装表面”，因此安装表面校正轮廓可以被施加至填隙片的侧面之一。填隙片应该具有在5µm的范围内的非常小的厚度变化。这里，作为位置函数的厚度变化也可以通过测量来揭示，并且也可以被包括作为误差分量，以确定安装表面校正轮廓。

所有偏差都是根据沿安装表面的位置收集的。沿着每个相应安装表面的各个位置相关偏差的原点被设置成使得在组装状态下它们重合，从而允许将偏差求和并通过安装表面校正轮廓校正累积偏差。

图5是在横梁13的安装表面处的调整后的直线度偏差的定性图示，即图2d的倒置表示，其在测量期间被倒置定向。图6是在横梁13的安装表面处计算的校正轮廓的定性图示，即图4的倒置表示。图7是线性导向件的轨道的高度变化的定性图示。

图5至图7是定性图示，表示为了补偿各个偏差而必须在安装表面处移除的材料量。特别地，图5中的阴影区域表示为了补偿几何缺陷，精确地说图2d中调整后的几何误差而在安装表面处要移除的材料量。图5的校正轮廓旋转了180°，因为如图2a所示，安装表面14在横梁13处的测量配置是倒置的。此外，图6中的阴影区域表示为了补偿在轴运动期间的机器框架部件的计算偏转而在安装表面处要移除的材料量，而图7中的阴影区域表示为了补偿测量的填隙箔厚度偏差而在安装表面处要移除的材料量。最后，图8是定性图示，表示为了补偿总偏差(即安装表面校正轮廓)而必须在安装表面处移除的材料量。

图10概述了用于确定偏差部件安装表面校正轮廓和创建用于通过激光处理移除必要的校正量的数控程序的方法。

总之，考虑到每个偏差的正确符号，通过将获得的各个偏差相加，得出要施加至轴导向部件之一的安装表面的安装表面校正轮廓。这意味着将机器框架部件安装表面的测量偏差的倒数值（inverted value）、用于补偿由于轴移动引起的变形的计算校正轮廓、轨道导向件的高度变化的倒数值以及可选填隙片沿安装表面的厚度变化的倒数值相加，如图8所示。

辨识的安装表面校正轮廓被转换成用于例如通过激光加工对安装表面进行机械校正的加工程序。机械校正应用于安装表面之一，例如在导轨轨道的底部表面处。通过使用激光处理设备自动应用校正，包括例如超短脉冲激光，其允许在0.5µm深度或更小的有用范围内非常小的材料移除增量，具有非常好的可重复性和精度。通过使用激光源而不是机械刮削来选择性地从安装表面移除材料，校正过程变得更精确、更快并且通常更有效，没有磨损部件并且产生废料的风险低。通过这种方式，安装表面的机械校正变得可适用于精密机构的批量生产。

激光加工过程优于其它加工方法，特别是因为它允许按照本发明方法的要求精确选择性地移除材料，其中根据沿着安装表面的位置移除一定量的材料。要移除的材料量相对较小，通常深度小于30µm，因此相对较低的移除速率并不重要。此外，这是一种不需要加工流体的非接触过程，并且通过激光加工处理的安装表面的周边不受影响。

尽管如此，可以使用替代的加工过程对安装表面施加机械校正。加工过程可以是机械加工过程或化学加工过程或热加工过程或增材制造过程之一。例如，CNC控制的喷丸或喷射加工是上述激光加工的替代方法。

由于机器框架部件和轴导向部件的相关安装表面是相邻的并被钉合，安装表面校正轮廓优选地仅施加至部件之一。安装表面校正轮廓最优选地施加至导轨轨道的底部表面，因为轨道的尺寸比机器框架部件的尺寸小得多。以这种方式，用于校正量的激光加工的设备可以变得更加紧凑，并且这些部件的处理要简单得多。类似地，安装表面校正轮廓可以被施加至中间部件，例如填隙箔或填隙块。这些部件与轨道具有相同的优点，甚至更易于操纵。然而，也可以将安装表面校正轮廓施加至机器框架部件处的安装表面。

优选地，轴导向部件的安装表面的至少一侧通过激光***进行标记，例如用符号或文本进行标记。以这种方式，防止了在连续组装中无意中颠倒轴导向部件的安装方向的风险。

最后，定位机构被组装，包括其安装表面已校正的轴导向部件或机器框架部件。然后，通过在TCP处执行测量来检查组装好的定位机构，这些测量被用来证明定位机构满足预期的运动精度。只有在例外情况下，该程序才需要额外的循环。

现在参照图11示出本发明方法在定位机器的生产中的实施方式。创建了表示结构机械部件的几何形状和变形特性的机器模型。“机器模型”被用于推导各个机器框架部件的变形以及由于结构框架随轴移动的变形而导致的TCP处的偏差，并用于确定在安装表面处所需的补偿。各个框架部件在“标准零件生产”中被加工，并在“零件测量”中被测量，该测量在特定的测量配置中执行。该测量提供了实际几何形状相对于安装表面的目标几何形状的偏差。“校正计算”包括测量配置中下垂的计算，以得出机器框架部件的调整测量值，以及由于轴移动导致的变形的校正，形成安装表面校正轮廓，该轮廓用作安装表面的机械校正的输入。根据安装表面校正轮廓，通过激光加工在轴导向部件的安装表面处施加“机械校正”。然后，在“机器结构的完全组装”的步骤中组装定位机器，并且执行“TCP测量”，以利用所实现的安装表面校正轮廓来确定TCP处的轴运动精度。

在定位机器的制造中使用本发明的方法导致产品基础运动精度的一致提高，特别是直线度偏差减小和旋转运动误差减小。优选地，生产过程由统计过程控制(SPC)监测。收集和分析所有定位机构的测量值，以辨识***偏差，然后可以对***偏差进行校正，以进一步改善安装表面校正轮廓，从而提高定位机构的运动精度。

除了在本发明中公开的机械校正方法之外，可以以已知的方式添加诸如数字补偿的其他校正方法。机器的几何偏差通过在组装的机器上的测量来确定，然后测量的偏差被用于数字补偿，以进一步提高机器精度。

通过沿着轴导向部件的安装表面移除材料来施加安装表面校正轮廓可以使用通用激光处理机器，典型地激光纹理化机器来完成。这种施加安装表面校正轮廓的方式适用于校正机器框架部件的安装表面，这些部件通常非常大，并且通常具有两个相距较远的平行安装表面。然而，待处理的物体(例如导轨轨道的底部表面)的特征在于，少量材料将沿着安装表面的主延伸方向被移除，而商用激光纹理化机通常被设计成适应2D、2.5D或3D物体。在这种情况下，这种商用激光纹理化机的加工量没有必要太大。轴导向部件的安装表面的主延伸方向对应于轴方向。例如，如图9b所示，轨道的底部表面或填隙箔的表面通常具有主延伸方向。因此，用于轴导向部件的安装表面的机械校正的装置优选地适用于特定目的。

图12示出了一个实施例，该实施例示出了用于定位机器的轴导向部件的安装表面的几何运动误差的机械校正的专用装置100。该装置100包括：安装台105，其用于安装导轨轨道17或填隙箔；一个或多个基准销121、122或止动件，用于在安装台和/或保持装置和/或夹紧装置(未示出)上精确对准轴导向部件，以将轴导向部件抵靠安装台固定；激光单元111，其包括激光源和镜式检流计(均未示出)，该激光单元产生激光束112，激光束112的轴相对于安装台105基本上正交，安装台和激光单元111可在轴导向部件轴线的方向上相对于彼此移动；以及控制单元(未示出)，其用于控制激光单元的激光束和安装台相对于激光单元的相对位置，从而将安装表面校正轮廓施加至轴导向部件。

专用校正装置100的台105安装在固定基座上，并可沿着水平的X轴移动。专用校正装置的该水平轴的行程覆盖了待处理的轴导向部件的整个表面。专用校正装置具有安装到固定基座的立柱102和安装在所述立柱102上的竖直Z轴110。Z轴承载激光单元111和可选地测量单元(未示出)，例如包括光学装置或接触式探针。装置100很简单，因为它基本上具有两个线性轴，Z轴具有在5至50mm范围内的非常短的行程，而X轴具有长行程以适应所有引入的导轨轨道或填隙箔。

以下是通过专用校正装置100施加安装表面校正轮廓的过程的示例性说明：长度L=1050mm、宽度W=34mm、厚度H=30mm的线性导向件的轨道被倒置地精确安装在校正装置100的安装台105上，这意味着安装表面位于顶部。轨道在所述安装台105上的第一基准销121处抵接在顶部上，以确定轨道17的原点，并且横向抵靠两个附加基准销122，以确定轨道17的横向位置，并且使轨道与台105的X-移动对准。根据轨道17的高度，通过定位Z轴110来调整激光单元111的竖直位置。开始校正程序，由此台105定位在轨道的原点，然后从轨道自动移除根据安装表面校正轮廓的材料量。检流计扫描仪提供了必要的自由度，以逐步和逐层处理安装表面的限定区域，并且覆盖安装表面的整个宽度，而没有额外的横向轴移动。

在图13所示的另一个实施例中，用于机械校正定位机器的轴导向部件的安装表面的几何运动误差的装置200包括：基座201，其具有支撑和引导导轨轨道17的多个支撑辊225；承载辊220，其在待处理区域中精确地支撑轨道；两个摩擦进给辊221和222，其用于轨道的受控进给。承载辊可以包括编码器以提供轨道位置反馈。专用校正装置具有安装到固定基座的立柱202和安装在所述立柱202上的竖直Z轴210。Z轴承载激光单元211和可选的测量单元(未示出)。根据轨道17的高度，通过定位Z轴210来调整激光单元211的竖直位置。开始校正程序，由此摩擦进给辊221和222推进轨道并控制其位置，同时激光束212根据安装表面校正轮廓移除材料量。

上面所示的用于轴导向部件的安装表面的机械校正的装置100、200可以具有基本上仅一个用于安装表面和激光单元的相对定位的受控进给轴，因此它具有比通用机器紧凑、更精确和更低价格的优点。

用于定位机器的轴导向部件的安装表面的机械校正的装置100、200可以进一步包括自动化装置，包括轴导向部件的加载和卸载、轴导向部件的尺寸和位置的测量、轴导向部件的安装表面的初始和最终测量等。

本发明已经描述了典型几何运动误差的情况，即在横梁处的竖直直线度偏差。根据本发明的机械校正方法也可以用于校正其他几何运动误差，特别是横向直线度偏差。这里，通过确定单独的偏差贡献并总结这些贡献，再次确定横向安装表面校正轮廓。横向安装表面校正轮廓可以在导轨轨道的侧表面或机器框架部件的相应安装表面或填隙片处被施加。

对于在其上安装导轨轨道的每个轴，机器框架部件通常具有两个相距较远的平行安装表面。因此，作为参考图2a至2d描述的框架部件的安装表面处的单独直线度测量和单独补偿的替代，可以单独测量和组合在机器框架部件的安装表面处的直线度，以确定框架部件安装表面处的平面度，并在考虑所确定的平面度的情况下确定两个相距较远的平行安装表面的匹配安装表面校正轮廓。

虽然在附图和前面的描述中已经详细图示和描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。应当理解，普通技术人员可以在以下权利要求的范围内进行改变和修改。特别地，本发明覆盖了具有以上和以下描述的不同实施例的特征的任意组合的另外的实施例。

附图标记

TCP 刀具中心点

1 刀具

2 工件

3 台

4 刀具保持器

10 基座

11 立柱

12 横向滑动件

13 横梁

14 在横梁处的安装表面

15 套筒轴

16 导轨托架

17 导轨轨道

19 机器安装件

20 X轴导轨

21 X轴托架

22 X轴轨道

23 X轴填隙片

30 Y轴导轨

31 Y轴托架

32 Y轴轨道

33 Y轴填隙片

40 Z轴导轨

41 Z轴托架

42 Z轴轨道

43 Z轴填隙片

60 测量支撑点

61 突出的直线度偏差

62 凹陷的直线度偏差

99 结构框架

100,200 用于通过激光加工来机械校正的装置

101,201 用于机械校正的装置的基座

102,202 用于机械校正的装置的立柱

110,210 用于机械校正的装置的Z轴

111,211 激光单元

112,212 激光束

121,122 基准销

105 用于机械校正的装置的台

220 用于机械校正的装置的承载辊

221,222 用于机械校正的装置的摩擦进给辊

225 用于机械校正的装置的支撑辊

Claims (16)

1.一种用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，所述定位机器具有至少两个机器框架部件和用于所述机器框架部件的相对移动的至少一个轴移动组件，所述至少一个轴移动组件包括多个轴导向部件，每个轴导向部件和每个机器框架部件具有安装表面，其特征在于

·为考虑的轴确定安装表面校正轮廓，而所述安装表面校正轮廓描述根据所述考虑的轴的机械校正的位置变化的校正量，并且

·所述确定的安装表面校正轮廓通过加工被施加至所述轴导向部件的所述安装表面或所述考虑的轴的所述机器框架部件的所述安装表面，以从所述轴导向部件的所述安装表面移除所述校正量的材料或向所述机器框架部件的所述安装表面添加所述校正量的材料。

2.根据权利要求1所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述安装表面校正轮廓得自

a.各个机器框架部件的所述安装表面的测量几何误差，所述几何误差是根据沿着所述考虑的轴的所述安装表面的所述位置确定的直线度误差，和/或

b.由所述机器框架部件沿着所述考虑的轴的相对位移确定的，所述定位机器的刀具中心点的计算偏差。

3.根据权利要求2所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于

a.在测量配置中，首先通过测量所述各个机器框架部件的所述安装表面的直线度或平面度来确定所述各个机器框架部件的所述安装表面的所述几何误差，以及

b.对于所述测量配置，计算所述各个机器框架部件在所述安装表面处的静态变形，以及

c.通过从首先测量的几何误差中减去在所述测量配置中出现的所述计算变形来计算所述各个机器框架部件的所述安装表面的调整后的几何误差。

4.根据权利要求3所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，考虑到所述机器框架部件相对于重力的取向并考虑到支撑点的位置和刚度，通过数值模拟来确定在所述测量配置中出现的所述各个机器框架部件的所述计算的静态变形。

5.根据权利要求2所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述定位机器的刀具中心点(TCP)的所述计算偏差在所述机器框架部件的所述安装表面处被转置，使得刀具中心点的所述计算偏差被抵消。

6.根据权利要求2所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，考虑到所述考虑的轴的一个或多个轴导向部件的几何误差而进一步得出所述安装表面校正轮廓，所述轴导向部件是以下中的一个或多个，

a.所述考虑的轴的轴导轨，包括轨道和/或托架，以及

b.中间部件。

7.根据权利要求6所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述中间部件是填隙箔或填隙块。

8.根据权利要求1所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述安装表面校正轮廓被计算为下列之和

a.沿着所述考虑的轴的所述机器框架部件的所述安装表面的倒置的调整的几何误差，和

b.一个或多个轴导向部件沿着所述考虑的轴的所述安装表面的倒置几何误差，和

c.由所述机器框架部件沿着所述考虑的轴的相对位移确定的所述定位机器的刀具中心点的计算偏差，所述计算偏差在所述机器框架部件的所述安装表面处被转置。

9.根据权利要求6或7所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述考虑的轴的所述机械校正是通过移除根据在以下之一处确定的安装表面校正轮廓的材料量来施加的

a.所述考虑的轴的所述机器框架部件的所述安装表面，

b.所述考虑的轴的所述轨道的所述安装表面，

c.中间部件的所述安装表面。

10.根据权利要求9所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述中间部件是填隙箔或填隙块。

11.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，通过机械加工、化学加工、热加工或增材制造中的一种将所述确定的安装表面校正轮廓施加至所述轴导向部件的所述安装表面。

12.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，通过激光加工将所述确定的安装表面校正轮廓施加至所述轴导向部件的所述安装表面。

13.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，用于所述机器框架部件的相对移动的所述轴移动组件是线性轴移动组件或旋转轴移动组件。

14.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的用于定位机器的几何运动误差的机械校正的方法，其特征在于，所述定位机器是机床、坐标测量机或机械手。

15.一种具有至少两个机器框架部件和用于所述机器框架部件的相对移动的至少一个轴移动组件的定位机器，所述至少一个轴移动组件包括多个轴导向部件，每个轴导向部件和每个机器框架部件具有安装表面，其特征在于，所述轴导向部件和/或机器框架部件的所述安装表面中的至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的方法进行校正。

16.一种用于根据前述权利要求1-14中的任一项所述的方法机械校正定位机器的轴导向部件的安装表面的装置，包括：

a.安装台，其用于所述轴导向部件的安装，

b.一个或多个基准元件，其用于将所述轴导向部件精确定位在所述安装台和/或保持装置和/或夹紧装置上，以将所述轴导向部件抵靠所述安装台固定，

c.激光单元，其产生激光束，所述激光束的轴线相对于所述安装台正交，所述安装台和所述激光单元能够在所述轴导向部件轴线的方向上相对于彼此移动，

d.控制单元，其用于控制所述激光单元的所述激光束和所述安装台相对于所述激光单元的相对位置，从而将所述安装表面校正轮廓施加至所述轴导向部件的所述安装表面。