對準光學測量系統的光學部件的製作方法
2023-08-11 07:31:26
專利名稱：對準光學測量系統的光學部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及用以將準備用於測量操作的光學測量系統部件予以對準的方法和裝置。
一種已知類型的光學測量系統包括兩個以上的殼體，至少其一固定在機器的底座上，而另一個由機器的移動臂或主軸支承。一個殼體包含有一個或多個光源和探測器，以下將稱作「光源殼體」，而另一殼體包含有反射器，以下將稱作「反射器殼體」。通常光源殼體保持在機器底座上的固定位置中，而反射器殼體安裝在機器的移動部件例如機器主軸上。
將光學部件加以對準通常是一個耗時的過程，包括首先對準光源殼體使得其中產生的光束沿著或平行於機器的X、Y和Z軸之一或多個定向。然後，必須將反射器與該光束對準使得反射光束射回探測器上。取決於所用探測器的類型，該對準可能必須精確至幾弧秒的範圍內。
本發明的方法和裝置使得光源、反射器和探測器的對準可以在機器的所有三個軸線上簡單而且迅速地完成。
根據本發明的一個方面，一種用於機器的光學測量系統，包括兩個殼體，固定在機器的兩個相對可移動部件上，每個殼體在其至少一面上設有一個安裝裝置的互補部分，該安裝裝置使得當其兩個部分連接在一起時，殼體互相對準並且與機器部件的已知相對移動方向對準。
在一個優選實施例中，安裝裝置的部件為運動支座，其一起構成一個運動支架，採用磁體將所述運動支架的兩個部件壓在一起。
光學部件預先設置在相應殼體之內，使得當安裝裝置的兩個部分連接在一起時所述兩個殼體中的光學部件互相正確對準。
一個殼體上可以設有可調連接器的一個部分，使其關於三個正交旋轉軸線的取向能夠在有限範圍內變換。該可調連接器的另一部分連接至機器的相對運動部件之一上。
根據本發明的一個獨立方面，設有一個基座，在其至少一個表面上具有用於至少一個運動支座的定位元件，並且可以在其三個正交表面的每一個上具有這種支座。基座上設有可調節裝置，使其能夠與所述三個正交機器軸線對準。當光源殼體通過其運動支座安裝在基座的任一運動支座上時光源殼體則與一個機器軸線自動對準。
然而替代地，運動支架的三個定位元件可以直接設在機器底座上的已知位置中，通過在基板或殼體上分別設置運動支架協調作用的定位元件，使得基板或所述殼體之一能夠直接安裝在機器底座上的已知位置。
在再一個實施例中，替代基板，一個單個球體可以用於安裝殼體。該球體可以剛性安裝在基座結構上使得一旦基座結構定位在機器上之後球體則保持固定，或者球體可以安裝成相對於基座結構可以調節從而在機器上的殼體定位方面提供一定的順應性。基座結構最好通過磁力支承定位在機器上。殼體在其內部設有一個杯帽，位於機器上的所述球體上，使得殼體能夠圍繞通過球體中心的水平和豎直軸線轉動，從而可以與機器軸線對準。一旦對準則優選通過杯帽與球體之間的磁力對其支承定位。可以通過將另一殼體定位在機器主軸上並且向球體上的殼體驅動機器主軸以嚙合所述兩個殼體之間的運動定位元件，然後驅動機器主軸以使工具機上的殼體重新定向，以此實現殼體在球體上的轉動。
在本發明的另一個實施例中，所述兩個殼體構成一個球桿的兩個部分。在此情況下所述球桿改型為提供兩個用運動支架連接在一起的可分離部分。所述部分之一相當於所述光源殼體並且含有光源、線性幹涉儀的幹涉儀光學器件和探測器，而另一部分含有反射器。在該實施例的改型中，所述光源和/或探測器可以相對於球桿是遠程的，並通過光纜與之連接。
為了防止球桿的兩個部分在分離時下垂(即圍繞球體端部轉動)，可以在球體的相對側上設置配重，或者用於支承球體的杯帽可以包含磁體以對該球體支承定位。在這些情況下當球桿的所述部分將要分離時可以通過電磁體來補充磁力。
下面參照附圖僅僅以例示方式對本發明進行更詳細的說明。附圖中
圖1為根據本發明第一實施例的光學測量系統部件的概略正視圖；圖2和3表示可調連接器的一個實施例；圖4表示本發明的另一個實施例；圖5和6表示本發明的再一個實施例；圖7表示本發明的光源殼體的固定支架；以及圖8表示本發明的再一個實施例。
下面參照附圖，圖1中顯示了第一實施例用於安裝在機器上的光學測量系統。
該光學測量系統包括基板10、光源殼體20和反射器殼體22，所有這些部件都需要與一個或多個機器軸線正確對準。基板10通過螺釘12、14連接至機器的底座。
在第一實施例中，光源殼體20包括一個自動對準器，按光學順序由光源24、分束器26、準直透鏡28和探測器30構成，其中經準直的光束通過準直透鏡28從殼體出射，探測器30用於接收來自反射器殼體22經由分束器26的返回光束。
光源殼體還包括一個運動支座，其形式為排列成三角形陣列並且以120°間隔開的三個球形支座元件16。支座元件16與基板上的三個V形槽(未畫出)協同工作構成傳統的運動支座，用於對基板上的殼體進行反覆定位。
基板本身，或者替代地基板和光源殼體一起，與機器的一個軸線比如X軸對準。如果基板單獨地與該軸線對準，這可以通過採用例如用一個接觸探針定位的基準表面或邊緣(未畫出)來實現。然後利用運動支架將光源殼體定位在基板上，使運動支架取向為將來自光源的光束對準成平行於基板上的基準表面。
然而，如果基板和光源殼體一起與機器軸線對準，則可以通過使來自光源殼體的準直光束射向適當的光學目標同時使光源殼體安置在基板上而容易地實現。
在任一情況下，可以通過在螺釘12、14與其穿過的基板相應孔之間設置間隙來實現基板在X、Y平面內對準的精細調節。在此例中，由於機器底座的平面度以及基板和運動支架的製造精度而實現在XZ和YZ平面內的對準。
光源殼體在其前表面(即與光束方向正交的表面)上還具有一個運動支座18，其上可以安裝反射器殼體。在製造階段將光源和反射器加以對準，以確保當反射器殼體安置在光源殼體前表面的運動支座18中時光束與反射器被準確地對準。
因此可以看出，一旦光源殼體20被正確地對準以使光束沿著一個機器軸線比如X軸出射，則可以將反射器殼體安置在光源殼體前表面的運動支座上，反射器殼體將與來自光源24的光束自動對準。可以採用磁體50、52將這兩個殼體一起壓在運動支座上。
為了照顧到機器主軸與反射器殼體連接在一起時其間位置的任何不匹配，通過採用一個殼體22可以由之連接至機器主軸34的可調連接器，使反射器殼體22具有有限量的順應性。可調連接器具有一個球體36，位於機器主軸上的球形承窩38中。球體36由保持裝置40可調節地支承，保持裝置40接著通過任何適當裝置例如帶螺紋的螺杆連接裝置42連接至殼體22。
從圖2和3中可以看出，保持裝置包括一對顎爪44，顎爪44封閉出一個圓柱形孔46。通過夾緊螺栓48與各顎爪的螺紋嚙合可以開啟和關閉顎爪。球體36通過杆50連接至位於孔46中的另一個球體52。設有一個彈簧54將球體52向孔46的外面推動。
這樣球體36可以通過一個有限的角度加以調節，以使之能夠嚙合在機器主軸的承窩38中。通過在球體36、承窩38或者兩者中設置磁體(未畫出)將球體36以公知的方式保持在承窩38中。上述類型的調節裝置在我們的歐洲專利No.508606B1中有更詳細的描述，將其說明在此引入本說明書作為參考。
因此，一旦光源殼體已經與機器軸線對準，則固定在機器主軸上的反射器殼體22就可以被拉到光源殼體跟前。通過鬆開夾緊螺栓48，可以使可調連接器足夠自由地轉動，從而使反射器殼體定位在運動支座18中。通過這種方法可以確保光源殼體與反射器殼體的自動對準。夾緊螺栓48一旦定位在運動支座18中即被緊固以保持殼體22的取向。
為了將光源殼體20與其它機器軸線對準，可以採用幾種替代結構。在上述光源殼體安裝在基板上的例子中，光源殼體在其下表面或在其垂直表面的其它面上可以具有其它的運動支座。通過這種方法可以將其在不同的平面內旋轉90°並且在基板的運動支座上沿不同取向重新定位。通過這種方法可以使來自光源的光束沿不同的機器軸線發射。在此情況下，反射器殼體將繼續定位在光源殼體上相同的運動支座18中，從而使之也與不同的軸線對準。
替代地，可以採用立方體或長方體形式的塊件來取代基板。這種塊件在其各垂直面上可以設有運動支座，從而利用光源殼體上的單個運動支座，可以通過使其運動支座與所述塊件上的任何一個支座嚙合使之沿不同方向取向。在此情況下反射器殼體將繼續使用光源殼體上的相同運動支座。
在另一個替代實施例中，光源殼體可以包含用於提供沿不同機器軸線取向光束的多個光源，並且在其垂直於各光束方向的表面上可以設有運動支座。在此情況下，反射器殼體可以放置在任何相應的表面上並由機器主軸支承以沿相應光束的方向運動。替代多個光源，該實施例可以變型為提供單個光源和多個分束器以發射沿不同正交方向的光束分量。
在所有上述實施例中，不同運動支座取向或光束方向之間的角度需要校準以進行垂直度測量。
圖4顯示了提供來自光源殼體的三個光束的實施例。如前所述，光源殼體包括單個光源24，用於產生光束，接著光束通過分束器/探測器結構26/30射向準直透鏡28。從透鏡28出射的準直光束射向一對分束五稜鏡60和62，其輸出為從光源殼體三個正交表面出射的三束正交準直光束A、B和C。
運動支座64、66(僅畫出兩個)設在光源殼體的三個正交表面上。通過這種方法，可以將由機器主軸支承的反射器殼體68可拆卸地固定在光源殼體的三個表面的每一個上，以使其沿三個正交方向的任何一個對準。
圖5和6顯示了另一個替代實施例，其中基板剛性連接到機器底座上，光源殼體20用可調座架安裝在基板上。
可調座架包括一個位於基板10與光源殼體20之間的部分球形軸承。該球形軸承包括一個光源殼體上的凸部82和一個基板上的凹部84。在光源殼體的後部(即球形軸承的相對端)，調節螺釘86克服彈簧(未畫出)的作用垂直支承在基板上以升高或降低光源殼體的後部，使其在豎直平面內繞著所述部分球形表面轉動。
同樣在光源殼體的同一端，安裝在基板上的水平調節螺釘90克服一個第二彈簧(未畫出)的作用推壓在光源殼體的突起92上，使得光源殼體在水平面內繞著球形軸承表面82、84轉動。
部分球形軸承的中心位於點O處，當反射器殼體定位在運動支座18中時其位於反射器殼體的光學中心，從而在光學對準過程中對光源殼體有關間距和顎爪軸線的微小調節不會導致光源殼體相對於反射器殼體的任何平移。因此當反射器殼體重新定位在運動支座18中時，它會與來自光源殼體的光束自動重新對準。
用該測量系統進行測量的方法對於所有所述的實施例都是相同的。
首先如前所述將光源殼體與任一機器軸線對準。然後用一個運動支座將反射器殼體固定在光束由之出射的光源殼體的表面上，並且使機器主軸位於使得反射器殼體可以用可調連接器支承的位置。
沿著待測量軸線進行主軸的微小初始運動(d)，以使反射器殼體從其運動支座上脫開。在此位置獲得來自光學測量系統探測器的讀數。然後將主軸移動進一步的增加距離(d1)並且獲得進一步的探測器讀數。根據自動對準器的讀數確定運動的角偏移並加以記錄。沿著該軸線重複此過程以獲得逐步增加位置(d2)至(dn)的測量值，從而建立起角偏移的記錄。
在光源殼體和反射器殼體中可以包含其它的光學部件。例如可以包含一個線性幹涉儀，其雷射器和探測器設置在光源殼體中，幹涉儀光學器件設置在反射器殼體中。
可以採用數種不同的結構來實現將這兩個殼體與不同機器軸線對準的目的。
例如可以省略基板，待安裝在機器固定部件上的殼體可以直接安裝在三個球體上，這三個球體設置成直接在機器底座上形成運動支架。這些球體都可以是可調節地安裝，例如通過圖2和3中所示的可調連接器安裝，使得其初始定位並不重要。首先將保持裝置40放置於形成運動支架的大致正確位置，該運動支架取向為將殼體沿所需機器軸線對準(最好採用磁體將其吸合定位以替代螺杆42)。然後將連接至機器主軸的杯帽依次置於各球體36上，通過放鬆調節裝置，在固定之前根據機器標尺的讀數對各球體36的位置精確地加以調節和記錄。
在另一實施例中，替代殼體20與機器之間的運動支座結構，可以採用單個球體定位在殼體的杯帽中。這在圖7中簡要畫出。球體可以如所示實施例中那樣剛性地安裝在基座結構上，或者可以用類似於圖2和3中所示可調節安裝球體的方式可調節地安裝在基座結構中。在安裝至殼體之前，必須首先例如通過探測來精確地確定球體的位置。
再參照圖7，殼體20顯示在基座結構上，或者位於例如機器底座上的塊件80上。該塊件上固定有一個支柱82，在此例中顯示為豎直的，其具有球體84形式固定在其自由端的支架。殼體20具有一個構成為其部分內部結構的杯帽，其上可以支承球體84並使之磁力定位，殼體20具有一個適當的開口，所述支柱和球體可以從其中通過。因此該殼體能夠在水平面內繞著支架進行360°轉動，並且在豎直面內進行180°轉動，在殼體中設有一個適當的槽以避免殼體壁碰撞支柱82。
為了將殼體20與機器軸線對準，將反射器殼體22安裝在機器主軸中並向著殼體20驅動，直到兩個殼體之間的運動支座18可以嚙合。這在開始時通過手動調節殼體20的位置來進行。由於殼體20安裝在單個固定球體上，所以殼體22需要以一定的順應性例如用圖2中所示可調裝置安裝在機器主軸上。
在一個替代實施例中，將球體用可調節裝置安裝在機器上，在緊固調節機構之前通過使機器主軸上的杯帽與球體形成定位關係來確定其位置。然後根據機器標尺的讀數可以確定球體的位置。接著，一旦確定了球體的位置，則可以將殼體安裝在球體上，並且如上所述用運動支座18沿著不同機器軸線的方向取向。
在圖8所示的另一個實施例中，兩個殼體22和22構成一個球桿(ball-bar)的兩個部分。第一部分具有一個球體100，能夠定位在由磁體101磁力保持在機器中的杯帽102中。殼體104連接至該球體並且包含有光源和線性測量幹涉儀105的幹涉儀光學器件。第二部分具有一個球體106，能夠定位在由磁體107磁力保持在機器中的杯帽108中，並且具有殼體110，殼體110包含有幹涉儀的回射器。各杯帽最好含有三個墊片，球體100和106運動定位於其上。球桿的兩個部分在運動接點114處接合，運動接點114由磁體116推壓嚙合的球桿各部分上的定位部件構成。
杯帽102、108是可調節型的，如圖2中所示。
為了將球桿沿機器軸線對準以進行測量，將杯帽102定位在機器上，球體100、106之一定位在杯帽中。機器主軸設有與球體100、106相配合的杯帽，並使之向下定位在球體100上。從機器標尺的讀數可以確定球體100的位置。然後沿著一個機器軸線以等於球桿長度的距離移動機器主軸，並且將第二球體106定位在先前已經定位於大致正確位置的第二杯帽中。當實現杯帽108與球體106之間的適當定位時，將杯帽的調節機構加以緊固。現在球桿已經與機器軸線對準。
為了沿該軸線進行測量，通過斷開運動接點，使機器主軸支承著球體102和反射器殼體沿其軸線移動。幹涉儀對所移動距離進行測量。
為了防止運動接點114斷開時球桿下垂，可以對球桿的重量進行補償平衡，或者使用於將球體保持在杯帽中的磁體的磁力足夠大以抵抗下垂，例如通過電磁體來增強磁力。
為了減小球桿的重量，光源可以是通過光纜連接至球桿的遠程光源。
因為球桿可以在機器主軸上在杯帽中轉動，所以可以通過使球桿轉動90°來沿著機器的X和Y軸進行測量。
權利要求
1.一種用於機器的光學測量系統，包括兩個殼體，安裝在所述機器的兩個相對運動的部件上，每個殼體在其至少一個表面上設有一個安裝裝置的互補部分，該安裝裝置使得當安裝裝置的所述兩個部分連接在一起時，殼體互相對準並且與機器部件的一個已知相對運動方向對準。
2.如權利要求1所述的光學測量系統，其中安裝裝置為一個運動支架，包括相應殼體上的互補運動支座。
3.如權利要求1或權利要求2所述的光學測量系統，其中各殼體包含有光學測量系統的光學部件，所述光學部件預先設置在相應殼體中，使得當安裝裝置的兩個部分連接在一起時所述兩個殼體中的光學部件互相正確地對準。
4.如前面任一權利要求所述的光學測量系統，其中至少一個殼體上設有使其關於三個正交旋轉軸線中至少一個的取向能夠在有限範圍內變換的可調連接器。
5.如權利要求4所述的光學測量系統，其中所述可調連接器使得其所連接的殼體的取向能夠在三個正交軸線中變換。
6.如權利要求1所述的光學測量系統，其中所述殼體之一通過定位元件安裝在機器上一個基座上的固定位置中，該基座本身可調節地安裝在機器底座上。
7.如權利要求6所述的光學測量系統，其中所述定位元件構成基座上的運動支架部件。
8.如權利要求1所述的光學測量系統，其中所述殼體之一通過三個定位元件直接安裝在機器底座上，該三個定位元件構成運動支架。
9.如權利要求8所述的光學測量系統，其中所述三個定位元件是可調節的。
10.如權利要求1所述的光學測量系統，其中所述殼體之一通過一定位在機器上的單個球體安裝在機器上，該球體與所述殼體中的一個杯帽嚙合。
11.如權利要求10所述的光學測量系統，其中所述球體和杯帽由磁力推壓嚙合。
12.如權利要求10所述的光學測量系統，其中所述球體安裝在機器上的一個固定基座結構上。
13.如權利要求10所述的光學測量系統，其中所述球體安裝在機器上的一個可調節支架上。
14.如權利要求1至3任一所述的光學測量系統，其中所述兩個殼體構成一個球桿的兩個部分。
15.一種對準機器上光學測量系統光學部件的方法，所述系統包括兩個含有測量系統光學部件的殼體，該方法包括如下步驟在各殼體的至少一個表面上設置一個安裝裝置的互補部分，該安裝裝置的互補部分設置成使得當所述互補部分連接在一起時所述殼體相互對準並且與相對機器的一個已知方向對準，將所述兩個殼體安裝在機器的相對運動部件上，至少一個殼體通過可調節連接器安裝，將所述殼體之一與所述相對機器的已知方向對準，並且將所述安裝裝置的互補部分嚙合同時使得所述可調節連接器能夠調節。
全文摘要
光學測量系統的部件包括兩個各含有該系統光學元件的殼體(20、22)。所述兩個殼體每個在其至少一個表面上設有運動支架(18)的互補部分,光學部件設置在相應殼體之內,使得當運動支架嚙合時光學部件正確對準。在基座表面上設有一個運動支架(16),使得當基座與機器軸線對準時位於運動支架上的任何殼體與機器軸線自動對準,當用運動支架將殼體與基座連接並將殼體互相連接時系統的光學部件自動對準。
文檔編號G01B11/00GK1388891SQ01802629
公開日2003年1月1日 申請日期2001年7月11日 優先權日2000年7月12日
發明者戴維·羅伯茨·姆克莫特瑞, 班傑明·羅勒·泰勒, 馬克·阿德裡安·文森特·查普曼 申請人:瑞尼斯豪公司