專利名稱：機器校準工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及坐標測量機，更具體地，涉及用于校準和校驗這種機器的設備以及方法。
背景技術：
坐標測量機(CMM)被普遍地用于工件的尺寸檢驗。通常，工件被固定到工作臺上， 探針——例如，使用接觸式傳感器的探針——在測量空間內(nèi)在CMM的臂上在三個維度上運動以在不同點處與工件接觸。當探針接觸工件時，在χ、y和ζ方向上的測量刻度被讀取從而獲得工件上的所接觸的點的位置坐標。通過接觸工件上的不同的點，能夠獲得對工件形體的量得尺寸。CMM在使用之前被校準使得它可以精確地測量工件上的位置的坐標。盡管CMM以嚴格的公差制造，但是由于刻度誤差、導軌的微小的變形、以及其他缺陷，導致出現(xiàn)機器誤差。對CMM的校準可以用于制作誤差圖譜，該誤差圖譜可以包含在CMM操作軟件中以說明機器誤差的原因，從而提高機器精確度。即使在CMM被校準之后，CMM的精確度也應當定期地進行校驗。CMM的精確度會由于老化、溫度變化、或其他原因而逐漸降低。在一些情況下，CMM的精確度會由于不正確的處置而突然改變。諸如臺階式量規(guī)等各種精確度校驗工具被用于定期地校驗坐標測量機的精確度。總體而言，CMM的精確度通過測量具有精確地已知且穩(wěn)定的尺寸的工具進行校驗。 將由CMM測量得到的工具尺寸與已知尺寸相比較，已知尺寸與測得的尺寸之間的任何差異被認為是由CMM或其使用的不精確造成的。這種不精確可以通過對坐標測量機重新校準而修正。當測得的尺寸處于已知尺寸的可接受的范圍內(nèi)時，CMM的精確度被認為得到校驗。臺階式量規(guī)是在機械測試中用于校準和/或校驗CMM的精確度的一類工具。臺階式量規(guī)包括平行的測量表面(“臺階”)，所述測量表面之間具有已知的距離。當使用臺階式量規(guī)來校驗CMM的精確度時，探針測量表面之間的距離。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一種實施方式，校準工具包括長形本體，該長形本體包含陶瓷材料并具有伸長方向。校準工具還包括多個測量元件，所述多個測量元件包含陶瓷材料并與所述長形本體一體地形成，每個測量元件至少包括面向第一方向的第一平面測量表面。每個測量元件的所述第一平面測量表面平行于所述多個測量元件中的每個其他測量元件的所述第一平面測量表面。根據(jù)另一實施方式，校準工具包括單件式長形本體，所述單件式長形本體完全或基本上完全由陶瓷材料形成并具有伸長方向，所述單件式長形本體包括多個測量元件。每個測量元件包括面向第一方向的第一平面測量表面。每個測量元件的所述第一平面測量表面平行于所述多個測量元件中的每個其他測量元件的所述第一平面測量表面。


附圖不應認為是按比例繪制的。在附圖中，在不同圖示中所示出的每個相同或近似相同的部件由同樣的附圖標記表示。為清楚起見，并非每個部件在每個附圖中都被標記出。在附圖中圖1為現(xiàn)有技術的CMM的一個示例的立體圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的校準工具的局部剖視立體圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的校準工具的俯視圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式的校準工具的俯視圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式的的校準工具的正視圖。圖6為校準工具的側視圖，其中出于說明的目的移除了一個長形框架構件。圖7為本發(fā)明的校準工具的再一實施方式的俯視圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個方面，諸如臺階式量規(guī)的單件式校準工具由單個陶瓷塊形成。 臺階式量規(guī)包括多個用于在校準和/或校驗CMM時使用的平行的、基本為平面的測量表面。 通過提供單件式校準工具，與由可移除地結合的部件或多種材料形成的工具相比，能夠減少由多種因素——包括環(huán)境因素、制造缺陷、以及在使用和運輸期間的損壞——造成的測量表面的相對距離和方位的變化。例如，在單件式工具中，能夠減小溫度變化、施加在工具上的外力、和/或工具自身重量對工具的測量表面的均一性和完整性的影響。通過使用陶瓷材料，可以實現(xiàn)工具的低熱膨脹。此外，陶瓷材料具有高的強度與重量比，這有助于進一步減小由工具自身重量在工具中引起的的下陷以及其他變形。耐腐蝕性、防潮性以及高硬度是陶瓷材料所具有的對用作校準工具材料而言進一步的潛在有益的性質。一些已知的臺階式量規(guī)包括安裝到鋼質體部的陶瓷探測凸耳。由于陶瓷和鋼的熱膨脹系數(shù)不同，當臺階式量規(guī)在與臺階式量規(guī)被校準時的初始基準溫度不同的溫度下使用時，會產(chǎn)生誤差。例如，當測量單個探測凸耳兩側之間的距離時，陶瓷探測凸耳的熱膨脹系數(shù)對熱膨脹誤差起主導作用。相反地，當測量在鋼質體部上間隔較遠的兩個探測凸耳之間的距離時，鋼質體部的熱膨脹系數(shù)將對熱膨脹誤差起主導作用。如上所述，通常的CMM軟件針對熱膨脹進行適應性調整，但是，通常僅允許將單個用于量規(guī)的熱膨脹系數(shù)的值輸入到軟件中。因此，校準工具的不同部分具有不同熱膨脹系數(shù)會造成顯著誤差。在圖1中示出了傳統(tǒng)的橋式CMMlO的一種實施方式。CMMlO包括基座12 ；工作臺 14，工件16固定到該工作臺14上；臂18 ；以及探針組件20，該探針組件20安裝到臂上以感測與工件的接觸并提供指示該接觸的信號。探針組件20能夠沿三個正交軸線χ軸、y軸和 ζ軸在整個測量空間內(nèi)運動。為沿y軸22移動，橋M由兩個導軌沈可移動地支承。導軌可由支腿觀支承在基座12上。導軌沈之一或兩者包括刻度尺30，從刻度尺30上獲取讀數(shù)以確定橋的相應端部的位置。橋支承沿與y軸22垂直的χ軸34的方向移動的滑架32。 通常稱為ζ軸滑枕或垂直滑枕的臂18安裝到滑架32上，臂18沿ζ軸36移動并承載探針組件20。在圖2中示出單件式校準工具100的一種實施方式。工具基本完全由諸如碳化硅陶瓷的陶瓷材料制成，并形成長形本體的形狀。在圖2中示出了短的校準工具以方便說明，但在一些實施方式中，校準工具可以具有一米或更長的總長度或任何其他合適的長度。工具100包括兩個長形框架構件104，這兩個長形框架構件104在長形本體的伸長方向上彼此平行地延伸。支承橫構件106從一個長形框架構件104延伸到另一個長形框架構件104。支承橫構件106可以為工具提供結構的穩(wěn)定性，并且還為測量元件IlOa提供支承。測量元件IlOa可以沿與長形本體的伸長方向大致平行的方向從支承橫構件106延伸。 測量元件IlOa中的每一個在端部處具有一面，該面包括平面測量表面120a。工具的平面測量表面120a提供了 CMM探針可以探測的表面，以測試CMM對測量表面之間的距離的測量精確度。平面測量表面120a(或至少其一部分)以高精確度彼此平行， 作為提供用于距離測量的一致基礎的一部分。差的平行性會導致在通過接觸式傳感器接觸測量表面上的不同局部點的情況下距離測量不準確?？梢栽诿總€支承橫構件106的相對兩側上設置類似的測量元件(圖2中未示出)， 該測量元件可以包括與測量表面120a朝向相反的測量表面。例如，如圖3所示，平面測量表面220a面向第一方向，而平面測量表面220b可以面向與第一方向相反的第二方向。通過提供面向相反方向的測量表面，能夠進行雙向測量，作為與針對CMM的驗收和校驗的國際標準化組織(ISO)標準相符的一部分。雙向測量是距離的測量，其中，第一表面由沿第一方向移動的接觸式探針接觸，而第二表面由沿與第一方向相反的第二方向移動的接觸式探針接觸。在本文公開的實施方式中，雖然總體上面向給定方向的測量表面幾乎相等地間隔開，但是測量表面可以以任何適當?shù)木嚯x彼此間隔開。例如，在圖3中通過俯視圖示出的臺階式量規(guī)的實施方式中，面向第一方向的每個測量表面220a與其最靠近的測量表面220a 相隔約40mm。類似地，每個測量表面220b與其最靠近的測量表面220b相隔約40mm。在一些實施方式中，面向相反方向的相鄰測量表面相隔的距離可以為面向相同方向的相鄰測量表面之間的距離的一半。例如，在圖3的實施方式中，測量表面220a與最靠近的測量表面 220b之間的距離可以為約20mm。當然，在各種實施方式中可以使用其他適合的測量表面之間的距離。對于本文公開的實施方式中的每一個來說，相鄰測量表面之間的實際距離不需要以極緊密的公差制造。只要相鄰測量表面之間的距離制造成處于合理的公差范圍內(nèi)，例如在一些實施方式中在100微米之內(nèi)，實際距離可由高精確度認證的CMM在量規(guī)校準過程期間確定，而且結果可以記錄在量規(guī)校準證書上。校準通常由能夠為長度標準提供可溯源性的國家計量機構(匪I)執(zhí)行。通常，高精確度認證的CMM使用接觸式探針以大致定位測量表面，然后高精確度CMM使用激光干涉儀來測量測量表面之間的距離。例如，接觸式探針與測量表面的接觸可以觸發(fā)激光干涉儀執(zhí)行測量。一旦校準工具上的測量表面之間的實際距離確定，在一段時期內(nèi)，這些距離可作為校準工具的已知距離用于驗收和校驗測試?？梢栽谝欢螘r間之后或一定使用次數(shù)之后進行校準工具的后續(xù)校驗。在一些實施方式中，例如在圖2中示出的實施方式中，平面測量表面120a定位成使得校準工具的中性彎曲軸122與每個測量表面相交。在一些實施方式中，中性彎曲軸在每個表面120a上的大致相同的相對位置處與每個表面120a相交。相較于與中性彎曲軸間隔開的測量點，處于或靠近中性彎曲軸處的預定測量點減小了因由于下陷或其他彎曲變形造成的每個表面120a上的測量點之間的距離的變化所引起的誤差。為了本文中的目的，長
6形校準工具的中性彎曲軸被認為是工具的在彎曲過程中不經(jīng)歷大的縱向應變的橫截面。校準工具的一些實施方式可以與接觸式探針一起使用。另一些實施方式可以與非接觸式探針一起使用。例如，盡管平面測量表面120a可以為由接觸式探針所接觸的接觸表面，在一些實施方式中，測量表面120a可以與激光掃描器或其他適合的非接觸式探針一起使用以用于初始的工具校準，或用于諸如非接觸式CMM的機器的校準和/或校驗。在圖3中示出的實施方式中，支承橫構件206各自具有約12mm的厚度，并且每個測量元件210a、210b從它們各自的橫構件的表面向外伸出約4mm。在一些實施方式中，可以采用其他合適的橫構件厚度以及測量元件伸出長度。例如，橫構件206可以具有約7mm的厚度，而測量元件從橫構件伸出約6. 5mm。在一些實施方式中，可以從約IOmm厚的橫構件伸出約5mm的測量元件。圖4示出校準工具300的替代實施方式，其中，由于測量元件310a、310b的側壁 330與支承橫構件306的表面形成鈍角A，所以測量元件310a、310b具有大致呈梯形的橫截面形狀。成角度的側壁可以方便制造期間將工具從模具中移除。例如，如圖4所示，測量元件310a、3IOb可以具有彎曲的、略微內(nèi)凹的側壁330。在另一些實施方式中，側壁330可以為平直的，或者可以兼具彎曲部分和平直部分。需要指出的是，不是必需需要支承橫構件來為校準工具提供結構穩(wěn)定性。在一些實施方式中，一個或多個支承橫構件可以從一個長形框架構件朝相對的長形框架構件延伸，但與該相對的長形框架構件間隔開。在圖5中示出橫構件406上形成的測量元件410a的正視圖。平面測量表面420a 可以通過將模制陶瓷構件的測量元件410a機加工成具有平坦表面而形成。例如，可通過噴射研磨工藝——其形成具有高平直度的平面狀表面——對每個測量元件410a的端部進行光整。在一些實施方式中，整個平面測量平面上的任何點都可以用作探針的測量點，而在另一些實施方式中，可以設立特定的“精確”接觸區(qū)域(舉例來說，平面測量表面的子區(qū)域)。在一些實施方式中，形成在支承橫構件的測量元件上的平面測量表面可以在從頂部到底部的方向上相對于長形本體居中和/或相對于橫構件居中。例如，如在圖6的左側上示出的，支承橫構件206相對于長形框架構件204的頂面230和底面232在框架構件204 的從頂部到底部的方向上居中。測量元件210a、2IOb相對于支承橫構件206的頂面246和底面247在支承橫構件206的從頂部到底部的方向上居中。在圖6中示出的實施方式中， 長形框架構件204具有平行于縱向軸線250的伸長方向、以及從長形框架構件204的開口側朝長形框架構件204的相對側在垂直于伸長方向的方向上延伸的從頂部到底部的方向。 支承橫構件206的從頂部到底部的方向可以平行于長形框架構件204的從頂部到底部的方向，并沿與長形本體的伸長方向垂直的方向從頂面對6向底面247延伸。需要指出的是，術語“頂”和“底”不一定要求頂面總是相對于地面和/或機器表面保持在底面之上。在使用期間，校準工具可以以多種方位中的任何一種定位，且根據(jù)工具的方位，頂面可以位于底面的下方或側旁(相對于地面和/或機器表面)。對于觸針242和接觸式傳感器244的組合長度L1短于從支承橫構件的頂面246到平面測量表面220a的測量區(qū)域的距離L2的探針組件240來說，探頭M8的從觸針242到邊緣243的距離通常會小于測量元件210a的長度，使得當移動接觸式傳感器2M與測量表面220a接觸時，探頭M8的邊緣243不與橫構件206相互接觸。
為操縱從觸針542到邊緣543的距離大于自橫構件506開始的測量元件510a的長度的探頭，在一些實施方式中，橫構件506可以偏離長形框架構件204的中心。例如，如在圖6的右側上示出的，支承橫構件506朝校準工具200的底部定位，而測量元件510a、5IOb 仍然相對于長形框架構件204居中。于是，從支承橫構件506的頂部546到平面測量表面 520a的測量區(qū)域的距離縮短，因此盡管其探頭548的從觸針542到邊緣543的距離大于測量表面520離橫構件506的距離，但仍容許接觸式傳感器544到達測量表面520a。相同的校準工具上可以包括不同位置的橫構件，例如，后續(xù)橫構件在它們的位置上可以交錯。在一些實施方式中，所有的橫構件定位在相同的位置。此外，在另一些實施方式中測量元件不需要一定相對于長形框架構件204居中。例如，在一些實施方式中測量元件可以朝校準工具的頂面定位，這可以允許探針容易地接近和/或方便制造。在一些實施方式中測量表面可以形成在凹部內(nèi)而不是作為凸部的面。例如，如圖 7所示，單件式校準工具600由陶瓷材料形成。支承橫構件606貫穿工具的長度并跨接兩個縱向框架構件604。孔608可以作為鑄造過程的一部分而形成?？梢砸匀魏芜m當?shù)闹圃旃に囋诿總€孔608的相對側中機加工出諸如槽612a、612b的凹部，從而形成平面測量表面 620a、620b。替代凹部，在一些實施方式中，呈凸部形式的測量元件可以從孔608的周面延伸。校準工具可以用于校準CMM和/或在使用一段時間之后校驗CMM的方面。例如， 校準工具可專門地用于校驗使用不同校準工具校準過的CMM?；蛘?，在一些實施方式中，單個校準工具可既用于校準又用于校驗CMM。陶瓷材料具有低熱膨脹系數(shù)，當在與校準工具最初被校準的基準溫度不同的溫度下使用校準工具時，低熱膨脹系數(shù)是有利的。盡管許多CMM通過基于測量溫度和基準溫度進行修正來解決這種溫度差異，但溫度測量的誤差會引起與熱膨脹系數(shù)值成比例的誤差。 因此，一些實施方式中可使用具有低熱膨脹系數(shù)——例如介于2. 2ppm/° K至4. 6ppm/° K 之間(含端值)——的陶瓷材料。具有在這個范圍之外的熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料可以用于形成本文公開的校準工具，且除陶瓷之外的其他材料也可以在一些實施方式中使用。將描述基本上完全由陶瓷材料制成的單件式校準工具的制造方法的一種實施方式。首先，制備具有適當尺寸的模腔的模具。將陶瓷材料以及熔融的粘結劑添加到模具中。 一旦材料冷卻，將模制件(通常稱為“坯體”)從模具中取出，并燒制坯體以燒結該模制件。 然后在燒制過的陶瓷模制件上機加工出測量表面。例如，可使用噴射研磨機將測量延伸部的端面研磨成平面測量表面。當然，也可以使用其他制造方法來形成本文公開的校準工具。 在一些實施方式中，可以在測量延伸部或支承橫構件中形成凹部，其中，凹部包括平面測量表面。通過高精確度CMM初始地校準諸如臺階式量規(guī)的校準工具的方法的一種實施方式包括以下步驟。首先，采取措施限定測量線(通常稱為中心線)，將沿該測量線測量測量表面。為限定該測量線，第一步驟包括測量臺階式量規(guī)的頂面上的至少三個對齊點以建立頂平面。然后在縱向外側面上測量對齊點以建立量規(guī)的縱向方向。最后，在校準工具的端面上測量點。從這些測量中，建立位于校準工具的頂部拐角處的基準點。然后相對于這個拐拐角基準點限定出測量線。測量線建立后，高精確度CMM從拐角基準點沿測量線測量每個測量表面的距離以確立測量表面離基準點的距離。當然，這個方法僅為校準方法的一個示例，也可以使用其他適合的校準方法。使用校準工具以校驗CMM或其他機器的方法的一種實施方式包括以下步驟。沿 CMM的第一軸線——例如χ軸——保持校準工具，并對例如五個不同長度的五個不同長度進行距離測量。每個測量以雙向方式進行，且為五個長度中的每一個進行三次測量。在校準工具以總計至少九個不同校準工具方位沿y軸、ζ軸、以及至少六個不同斜方位定位的情況下重復進行這個程序。將結果與已知的校準工具的尺寸相比較以判斷CMM是否一致。當然，其他適當?shù)男ｒ灧椒ㄒ部梢耘c本文公開的校準工具的實施方式一起使用， 包括符合國際標準化組織(ISO)的國際標準10360-2系列在以下主題下的方法“產(chǎn)品幾何量技術規(guī)范(GPQ-用于坐標測量機(CMM)的驗收檢測和復檢檢測”(Geometrical product specifications (GPS)-Acceptance and reverification test for coordinate measuring machines (CMM))。在一些實施方式中校準工具的測量表面的平行度可以通過干涉儀測試來檢測。在另一些實施方式中，可使用接觸探針，以通過測量沿校準工具的中心線的多個距離、然后測量沿與中心線偏離一定距離一一例如Imm——的線的多個距離，來檢查測量表面的平行度。 也可以使用四條線——一條線從中心線向上偏移，另一條線從中心線向下偏移，還有兩條線偏移至中心線的兩側。根據(jù)校準工具的分離方面，非單件式校準工具可以基本上完全由諸如陶瓷材料的單一材料形成。例如，單件式陶瓷長形本體可以形成為不具有測量表面，且可以單獨地形成并機加工陶瓷的探測凸耳。在探測凸耳被機加工成具有精確的測量表面之后，可將探測凸耳熔接到長形本體上。在一些實施方式中，可以先將陶瓷的探測凸耳熔接到陶瓷的長形本體上，然后可以進行噴射研磨以在探測凸耳的端部上形成測量表面。在已如此描述了本發(fā)明的至少一種實施方式的若干方面之后，應當理解的是，本領域技術人員能夠容易地想到各種替代方式、變型、以及改進。這些替代方式、變型、以及改進被認為是本公開的一部分，并被認為落在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。因此，前述說明書和附圖僅為示例。
權利要求
1.一種校準工具，包括長形本體，所述長形本體包含陶瓷材料并具有伸長方向；以及多個測量元件，所述多個測量元件包含陶瓷材料并與所述長形本體一體地形成，每個測量元件至少包括面向第一方向的第一平面測量表面，其中每個測量元件的所述第一平面測量表面平行于所述多個測量元件中的每個其他測量元件的所述第一平面測量表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，每個測量元件包括第二平面測量表面，所述第二平面測量表面平行于所述第一平面測量表面，每個第二平面測量表面面向與所述第一方向相反的第二方向。
3.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，每個測量元件包括凸部，所述凸部從支承構件沿與所述長形本體的所述伸長方向平行的方向延伸，且每個平面測量表面包括其中一個所述凸部的端面。
4.根據(jù)權利要求3所述的校準工具，其中，沿著所述長形本體的所述伸長方向截取的所述凸部的橫截面呈梯形形狀。
5.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，所述工具具有中性彎曲軸，且所述中性彎曲軸與所述平面測量表面中的每一個都相交。
6.根據(jù)權利要求5所述的校準工具，其中，每個平面測量表面包括接觸區(qū)域，且所述中性彎曲軸與所述接觸區(qū)域中的每一個都相交。
7.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，每個測量元件由支承橫構件一體地支承，所述支承橫構件橫向于所述長形本體的所述伸長方向延伸。
8.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，每個平面測量表面相對于相應的測量元件的表面是凹進的。
9.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，所述長形本體包括通過橫構件彼此連接的第一長形框架構件和第二長形框架構件，所述橫構件垂直于所述長形框架構件。
10.根據(jù)權利要求1所述的校準工具，其中，所述校準工具包括由單塊陶瓷形成的臺階式量規(guī)。
11.一種校準工具，包括單件式長形本體，所述單件式長形本體完全由陶瓷材料形成、并具有伸長方向，所述單件式長形本體包括多個測量元件，每個測量元件包括面向第一方向的第一平面測量表面， 其中每個測量元件的所述第一平面測量表面平行于所述多個測量元件中的每個其他測量元件的所述第一平面測量表面。
12.根據(jù)權利要求11所述的校準工具，其中，每個測量元件包括第二平面測量表面，所述第二平面測量表面平行于所述第一平面測量表面，每個第二平面測量表面面向與所述第一方向相反的第二方向。
13.根據(jù)權利要求11所述的校準工具，其中，所述工具具有中性彎曲軸，且所述中性彎曲軸與所述平面測量表面中的每一個都相交。
14.根據(jù)權利要求11所述的校準工具，其中，每個測量元件包括相應的凸部，所述凸部從支承構件沿與所述長形本體的所述伸長方向平行的方向延伸，且每個平面測量表面包括其中一個所述凸部的端面，沿所述長形本體的所述伸長方向截取的每個所述凸部的橫截面呈梯形形狀。
15.根據(jù)權利要求11所述的校準工具，其中，所述校準工具包括由單塊陶瓷形成的臺階式量規(guī)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種校準工具，該校準工具包括基本上完全由陶瓷材料制成并具有伸長方向的長形本體。包含陶瓷材料的多個測量元件與長形本體一體地形成，每個測量元件包括面向第一方向的第一平面測量表面。每個測量元件的第一平面測量表面平行于所述多個測量元件中的每個其他測量元件的第一平面測量表面。該校準工具可以為由單塊陶瓷材料形成的單件式的臺階式量規(guī)。
文檔編號G01B21/00GK102538727SQ20111042141
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2010年12月16日
發(fā)明者大衛(wèi)·哈維, 威廉默斯·威克斯, 彼得·?？怂? 約翰·蘭格萊斯 申請人:?？怂箍禍y量技術有限公司