专利名称：可变测试物体以及可变测试物体的保持架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一由至少两个靶子(targets)和一连接件(connectingelement)组成的可变测试物体(variable test object)，以及一用于这种可变测试物体的保持架。
背景技术：
为了监控坐标测量机械和生产装置，需要对测试物体进行测量，从而获得测量机械或生产装置的总偏差。作为机械对比标准，这种测试物体代表一种对例如干涉仪一类的测量对比标准的经济替代品。虽然用干涉仪进行测量提供了被检查的机器的精度可靠的信息，但是这种方法实际上非�：氖保虼思嗫氐募涓敉ǔ６ǖ梅浅３ぃ缫荒暌淮�。现代的机床和工业机器人是在严格的公差范围内工作的，并且往往显示出偏移特性，因此有必要更为频繁地进行检查。同样从经济的观点看，利用机械测试物体可在更短的时间间隔内进行补充检查。
根据应用范围的不同，对测试物体的要求也有所不同。特别是，它们在标准测量条件范围内，即在温度为-20℃～+70℃、相对湿度为0％～100％的条件下应当提供可靠的测量结果，以便它们可在各种环境条件下使用。此外，待测量的尺寸范围往往非常悬殊。对于待测量的大型设备，该尺寸可能扩展到几米到大于十米的范围。另一考虑的因素是测试物体的适应性和移动性，这就是为什么大型测试物体应优选能够被拆开以便于运输，并且应尽可能地轻，但是还应当保证测试物体的测量精度。
DE 199 15 012 A1中描述了一种机械测试物体，其由四个探针形元件(probe form element)和按四面体形状结合在一起的六个连接元件，从而探针形元件位于该四面体的角部处。每一连接元件位于两个探针形元件之间。所选择的测试物体的材料使得所出现的探针点到探针点的线热膨胀系数基本上为零。这里，由于设计的原因，连接元件等长，以便通过四面体的特殊形式提供自支承结构，将探针形元件保持在明确限定的位置。这类测试物体可拆卸，探针形元件由钢或玻璃陶瓷制成，连接元件由轻质材料、即碳纤维增强塑料(CFRP)制成，从而确保良好的运输性能。在一个实施方式中，探针形元件与连接元件之间的可拆连接是基于磁力。
但是，四面体的部分也可按如下方式进行结合，其中多个连接元件布置成一个置于另一个之后，在所有的情况下它们之间有一探针形元件，直线状装置的每一端处有一个探针形元件，形成一球杆(ballbar)。这里，选择性地使用多至三个附加的探针形元件。根据应用范围的不同，可设计出不同的探针形元件，例如球形或不同的形状。然后，可提供两个相邻探针形元件之间的距离的整数倍间距的探针点，其中最小距离由长度相同的连接元件之一的长度确定，而最大长度为最小距离的六倍。
为了将这样形成的球杆结合到测量容积(measurement volume)内，因稳定性和调节性的要求，故需要设置一保持架。根据现有技术，这种情况下的保持架包含其上放置探针形元件的单底座，但是球杆必须在小偏差对准的条件下足够直地对齐排列。
探针形元件的探测通过触觉接触方式进行，即例如它们利用测量触针(measuring styli)直接接触进行探测。但是，在目前的工艺水平中，也存在通过光进行测量的元件，此处，测试物体的可测量元件称为靶子。对于用触觉装置进行的测量，举例来说，使用铬或不锈钢球，并且球的中点的确定通过球测量进行。同样，所谓的重设靶子(resettarget)也可通过触觉装置进行测量，其中，使用一锥形物得到球的中点，在该锥形物中放置一直径确定的小球，从而靶子的中点可通过简单的点测量直接探测。如果用光进行探测，则使用所谓的回复靶子或经纬仪靶子，例如用于使用摄影测量或其他光学系统的测量。最后，还可利用激光跟踪器作为靶子用棱镜进行测量。
从现有技术中还公知其他类型的球杆，其中探测形元件是由陶瓷构成的球，由稳固连接在一托架体上的板簧元件以等间距保持在托架体上。各球之间的准确间距由夹在球之间的定距钢管提供。
由现有技术公知一种用于线性球杆的保持架，其具有球距恒定的固定的球安装座，并公知独立的单个底座的使用方法。
覆盖两或三个空间尺寸的其他公知测试物体被设计成一球板(ball plate)或球立方(ball cuboid)，其中，球的间距确定不变。
现有技术所公知的测试物体或者具有因球距确定而不灵活的缺点，或者具有因不适合于多种目的的保持架而不可用的缺点。
对于具有固定球安装座的保持架而言，其缺点在于，由于球保持架在托架体上的位置固定，因此球距是确定且不变的，所以该球距是不可能适应相应的测量要求的。
如果球和杆被夹�。虼嬖谟αΥ佣赡芩鸷Σ饬拷峁馐且恢秩钡�。此外，当用钢作为定距管的材料时，较差的温度中性(temperature neutrality)也是不利之处。
如果球杆位于单个底座上，则为了获得较小的对准误差需保证足够的直线对准，而这只可能在有条件的情况下才能实现，并且使用必须独立于彼此调整的底座是很难实现的，因此这也是不利之处。
如上所述，目前的现有技术仅公开了靶子的间距固定的测试物体。此处，该间距已由结构限定。对于连接件长度可变的球杆而言，这种结构要么不稳定而不易使用，要么难以对准从而只能通过大量的调整才能根据需要定位在测量体积中。
现有技术未公开覆盖一或多种尺寸的可变测量物体，以及一种用于这种测试物体的、可灵活地布置的相应的稳定保持架。现有技术仅公开了一种用于线性球杆的保持架，其具有球距恒定的固定球安装座，或公开了独立的单个底座的使用。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的基本任务在于提供一种可变测试物体以及一用于可变测试物体的相应保持架，将它们配置成该可变测试物体可由保持架保持。
一方面，可变测试物体应当设置成可灵活布置，从而在给定的一套靶子和连接元件的范围内，至少局部便于靶子之间的各种不同距离(即，靶子的距离不必全部相等)，不同的测试物体能被组合并获得多至三维的尺寸。
另一方面，提供一种用于可变测试物体的保持架，至少一个这种测试物体由其支持，从而应当可以根据靶子之间的可变布置间距将测试物体稳定地布置在测量体积内。此外，这种保持架必须保证测试物体的靶子可足够充分接近用于测量，而不管是否它们是通过触觉接触或借助于光进行。
前面提出的问题是通过本发明的测试物体进行解决的，所述测试物体具有至少两个靶子和至少一个连接元件，其中，用于所述测试物体的靶子和连接元件可由给定的一套单个靶子和单个连接元件选出，并且可组合形成测试物体，以及靶子和连接元件被配备成使得它们通过磁力保持在一起，从而所述测试物体足够稳定以通过本发明的保持架件被保持，而且，由于适当地选择靶子和连接元件的材料，测试物体的靶子之间的长度的热感应变化保持在测量容差范围内。
此外，本发明包括一用于测试物体的保持架，所述测量物体由至少两个靶子和至少一个连接元件组成，所述保持架具有至少一个托架、至少一个布置在至少一个托架之上或/和之内的导向装置、以及用于至少一个测试物体的靶子的底座，其中至少一个底座可沿至少一个导向装置移动，以便至少一个可移动底座的位置可调整而与测试物体的靶子的位置相适应，其中，可在位置调整而适应后测试物体由保持架保持。
本发明的测试物体的特征在于，它适于在本发明的保持架中使用并且便于可变的靶子间距，从而本发明的保持架可适合于相应的测试物体，并且同时便于测试物体的稳定定位以及灵活使用。
根据需要，本发明的这种测试物体可实现各种不同的靶子间距，其可适合测量体积的尺寸并且也可覆盖几种尺寸。此外，在容许制造误差的范围内，在标准大气条件下无线性热膨胀，从而保持选定的靶子间距。连接元件至少部分使用CFRP材料的优点还在于提供较轻的重量，从而提供易于使用、易于运输的测试物体，其可由本发明的保持架进行稳定地保持。
本发明的保持架的特征在于其可保持本发明的测试物体。其优点在于，至少一个底座可沿至少一个导向装置移动，从而至少一个可移动底座的位置可调整与测试物体的靶子的位置相适应，使得本发明的至少一个测试物体被可靠地保持。因此，在保持测试物体稳定性和靶子间距的同时，可将测试物体简单地配合在测量体积内。
此外，本发明的保持架的特征在于，托架由一种材料制成，其线热膨胀系数α＝ΔL/L在α＝0±20μm/℃m的范围内，优选α＝0±10μm/℃m，更为优选α＝0±1μm/℃m。其中，ΔL为单位长度(m)的单位温度(℃)的线性变化(μm)。
根据需要，可使用一个以上的托架。举例来说，可能具有下文所述的球杆的一分支。此外，一个保持架可能需要支持一个以上的测试物体。因稳定性的原因，有利地将底座设置成可移动通过一个以上的导向装置。如果靶子不是正好沿直线对齐，例如对于一个球杆来说，则有利地将至少一个另外的导向装置布置在托架之上或/和之内，使得底座可在两或多个平行或/和各种方向可变地定位。
在球杆是由四面体构成成分形成的情况下，本发明的至少不同长度的连接元件可部分地用于灵活地布置靶子间距并且因此而获得可变的球杆。举例来说，如果使用一组n种合适的不同长度的连接元件和n+1个靶子，则由于对连接元件进行相应的选择和组合，可得到总共n+n(n+1)/2种不同的靶子间距，而对于相应一组的长度相同的连接元件而言，只可能得到n种不同的靶子间距。作为一个数例，在相应的组中有6个连接元件和7个靶子，则在连接元件长度可变的情况下可形成27种不同的靶子间距。如上所述，对于等长的连接元件而言只有6种不同的靶子间距。
根据本发明，存在用于基于球杆的测试物体的其他可能变化，其中，选择一种总布置方案，从而例如使用另外一个靶子和另外两个连接元件，可形成线性球杆的分支以覆盖第二尺寸。通过另外一分支可盖住第三尺寸。这样，通过分支中长度合适的连接元件比如可表现靶子之间的可再现的限定分明的角度。但是，这种分支围绕线性球杆的轴线是不稳定的，必须要适当地支持。
本发明的可变测试物体的连接元件不必限于连接正好两个靶子，而是它们也可连接三个或以上的靶子。这种测试物体的可能变化是以靶子的各种位置为基础的，这些位置是由单个连接元件以及通过靶子结合的许多连接元件的各种可能组合限定的。
上述保持架可按如下所述的方式作进一步改进。
在进一步优选的实施方式中，一些或全部支承均是可移动的，从而多个靶子的位置可变。因此，举例来说，由至少部分长度不同的杆和靶子构成的可变的球杆可被组成并保持�。员愕鬃奈恢媚鼙坏髡氚凶拥南喙匚恢孟嗍视�。
在另一实施方式中，至少底座之一与托架固定连接，但是其中，至少一个底座是可移动的。这样，例如由至少两个靶子和至少一个所选的连接元件组成的测试物体能被保持�。沟弥辽僖桓龉潭ǖ鬃菽善渲械囊桓霭凶樱⑶抑辽僖桓銎渌牡鬃ü贫胗上喙氐牧釉范ǖ牧硪话凶拥奈恢孟嗍视�。通过这种保持架例如可能保持可变的球杆，从而至少一个靶子相对于保持架的位置固定。
在另一实施方式中，组成至少一个托架的材料的线热膨胀系数α＝ΔL/L在α＝0±20μm/℃m的范围内，优选α＝0±10μm/℃m，更为优选α＝0±1μm/℃m。
另一实施方式在于，至少一个托架的材料包括CFRP材料。
通过使用这种材料，尤其是甚至可得到α＝ΔL/L＝0±0.1μm/℃m范围内的线热膨胀系数。除制造公差范围之内以外，这种托架在标准条件范围内无线性热膨胀。
在本发明保持架的另一有利实施方式中，设置至少一个支承，从而测试物体的至少一个靶子通过磁力进行支持。其好处在于，所述至少一个靶子可快速且简单地安装在该支承上并且被可靠地支持。
在另一实施方式中，至少一个被保持的测试物体为一球杆，并且保持架确保靶子的直线对准的对准误差如此�。灾掠谇蚋说娜魏瘟礁霭凶拥募渚嘤爰负尉分毕叨宰嫉南嘤嗬氲钠钚∮谛Ｗ计頤＝1.5μm+1.5μm·L/m，其中，L为两个靶子之间的距离。校准偏差包括一常数和一长度从属分量(length dependent component)。将两个靶子定位于一间距状态下、例如距离2米的一个连接元件的校准偏差相应地为4.5μm。在该方案中确保靶子充分良好的直线对准，从而球杆的任何两个靶子之间的距离如公知的一样符合测量要求。
在另一实施方式中，至少一个托架由单个元件组成，并且这些单个元件通过至少一个可拆连接件保持在一起，从而确保保持架的可重复性，特别是在保持架的每次安装之后，被保持的测试物体的靶子的间距的准确性优于校准偏差1.5μm+1.5μm·L/m。在该实施例中，可将大型保持架进行拆卸以便于运输，并且再次进行装配，从而可重复进行被保持的测试物体的靶子的测量。
如果由于保持架的组成部分的材料合适且几何形状合适、由于物理环境条件在标准测量条件变化或/和由于适当使用保持架及其组成部分的力学作用，被保持测试物体的靶子的位置至多在校准偏差1.5μm+1.5μm·L/m的范围内变化，则可获得另一有利的改进方案。
另一有利实施方式的特征在于，底座的组合显示出至少一个方向自由度，其中，相关自由度指向相连靶子的连线方向，从而靶子和连接元件不受任何应力影响。例如，通过点式和V形支承的组合得以简化。选择性地，也能够使用平底座。这种布置的特征在于，可无应力地装配测试物体，并且测试物体也可在不受应力的作用下进行保持。举例来说，如果第一靶子位于一点式底座上，然后连接元件通过磁力与第一靶子结合，最后第二靶子可放置于V形底座上并无应力地结合在连接元件的另一端上。这样，还可增加另外的连接元件和靶子以将它们建立在保持架上形成更大的测试物体，诸如球杆一类。通过平底座则可能在球杆上获得无应力分支。
在另一有利的实施方式中，保持架包括至少一个安装座，保持架可在其上安装在测量体积上。特别地，这些安装座例如可适于将该托架安装在一或多个三角架上。
各种实施方式可彼此独立地使用，或相互组合使用。
下面将参考附图描述本发明的其他优选实施方案。
附图简要说明
图1示出了具有本发明保持架的本发明的测试物体的第一实施方式。
图2示出了具有特殊形式底座的本发明保持架上的本发明的测试物体的第二实施方式。
图3示出了球杆的直线对准的对准误差的概念。
图4示出了具有一分支的球杆形式的本发明的测试物体的第三实施方式。
具体实施例方式
图1示出了在本发明保持架上的本发明的测试物体。在该实施例中，测试物体为一具有两个连接元件150和三个靶子160的球杆，它们通过磁力可拆开地保持在一起。这里，连接元件和靶子选自其中具有长度不同的至少两个连接元件的给定的一套中，从而可获得不同的靶子距离。保持架包括一托架110，托架110可被拆成单个元件，这些单个元件通过一可拆连接件170保持在一起；以及一用于其上设置靶子的底座130、140的导向装置120。一个底座140固定安装在托架上，从而设置于其上的靶子相对于保持架的精确定位也是已知的。两个底座130可移动，从而底座的位置可调节而与连接件的长度以及它们所限定的靶子的间距和位置相适应。托架材料包括CFRP。
该材料使用Tennax UMS 252624K纤维和DIN指定为L 160的树脂以及DIN指定为H 163的硬化剂制成。其所产生的线热膨胀系数为|α|≤0.1μm/℃m。
图2示出了该支承的一有利实施方案。这里，测试物体的靶子260搁在点式底座230上，并且被稳定在该位置。另一靶子置于V形底座240上。一连接元件250置于两个靶子之间。
这种布置的特征在于可无应力地设置测试物体，并且测试物体被保持在无应力状态。如果第一靶子位于点式支承，而连接元件与第一靶子磁力结合，位于V形底座上的第二靶子可被拉到连接元件的另一端并与其相结合。这样，还可增加另外的连接元件和靶子以在保持架上建立更大的测试物体。
图3示出了球杆的直线对准的对准误差的概念。这里作为一个实施例，示出了所提取的至少一个球杆，其中靶子360c略微偏离几何精确对准。靶子360c与对准线的垂直距离D称为对准误差。现在的问题是必须考虑对准误差D最大值可为多少，从而靶子360b和靶子360d的距离L1+L2降低至不大于L1′+L2′上的校准偏差U，由于U也决定了球杆的质量，所以距离的变化量不应大于U。当靶子360b至靶子360c的距离等于靶子360c至靶子360d的距离时变化最大。假定在所有情况下该距离L＝L1＝L2＝0.5m，即靶子350b至靶子360d的距离2L＝1m，其中靶子360b至靶子360d的距离的校准偏差约为U＝3μm。应当采用2L-2L′≤U的关系。根据附图，设定D2+L′2＝L2这一关系，从而直接得出L′/L＝√(1-D2/L2)≈1-D2/2L2，这样最大对准误差由D＝√(2L(L-L′))≤√(L·U)给出。在给定的数例中，在一米的长度上必须保持D ≤1.73mm，从而靶子360b与靶子360d之间的靶子距离的变化最大等于校准偏差。该精度还可通过可拆卸的保持架重现性地获得。由于校准偏差，并且因此最大对准误差也随着长度相应地增加，即二者相对于彼此成恒定的关系变化，所以即使利用相当大的测试物体和保持架尺寸也可获得所要求的精确度。
图4中示出了具有一分支的直线球杆。该分支相对于围绕球杆的线性对准轴线是不稳定的，因此必须通过本发明的保持架得以稳定。通过适当选择连接元件的相应长度，可将分支三角形中的靶子的直线连线之间设置成不同的角度。举例来说，如果边长比a∶b∶c为3∶4∶5，则a与b之间的角度为直角。当a2+b2＝c2时，此关系一直适用。另外，如果b＝c/2，则a与c之间的角度等于30°，而b与c之间的角度为60°。根据要求，可进行任何角度的检查，尤其是直角的检查。在最简单的实施例中，球杆本身可仅由一个连接元件和两个靶子组成，从而安装一个分支便可形成三角形测试物体。除了球杆的直线对准之外，球杆的分支覆盖第二方向，并且增加另外的分支可覆盖其他的方向。通过这种设置，例如，还可根据要求用一测试物体以三种方向的方式测量具有一优选方向的长测量体积。
权利要求
1.用于测试物体的保持架(100；200)，所述测试物体由至少两个靶子(160；260)和至少一个连接元件(150；250)组成，所述保持架包括至少一个托架(110；210)，至少一个导向装置(120；220)，其设置于所述至少一个托架之上或/和之内，以及用于至少一个测试物体的靶子的底座(130，140；230，240)，其中，至少一个底座(130；230)可沿所述至少一个导向装置移动，以便所述至少一个可移动底座的位置可调节而与所述测试物体的靶子的位置相适应，从而所述测试物体可在位置调节而适应后由所述保持架保持。
2.根据权利要求1的保持架，其特征在于，还包括用于所述至少一个测试物体的其他靶子的其他可移动底座。
3.根据权利要求1或2的保持架，其特征在于，一或多个底座(140；240)固定设置于所述托架上。
4.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，制成所述至少一个托架的材料的线热膨胀系数在α＝0±20μm/℃m的范围内，优选α＝0±10μm/℃m，更为优选α＝0±1μm/℃m。
5.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，构成所述至少一个托架的材料为CFRP材料。
6.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，所述至少一个底座的配置使得一测试物体的至少一个靶子通过磁力保持。
7.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，至少一个测试物体为一球杆，并且所述保持架确保所述靶子的直线对准的对准误差(D)如此�。灾掠谝磺蚋说娜魏瘟礁霭凶拥木嗬胗爰负尉范宰嫉南嘤嗬氲钠钚∮谛Ｗ计�1.5μm+1.5μm·L/m，其中，L为两个靶子之间的距离。
8.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，所述至少一个托架(110；210)由单个元件组成，并且这些单个元件通过至少一个可拆连接件(170)结合在一起，以确保所述保持架的可重复性，尤其是，一被保持的测试物体的靶子的距离的准确性在所述保持架的每次组装之后优于1.5μm+1.5μm·L/m，其中，L为两个靶子之间的距离。
9.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，由于所述保持架的组成部件的合适的材料和合适的几何形状，由于物理环境条件在标准测量条件范围内变化，或/和由于合理利用所述保持架及其组成部件的力学作用，一被保持的测试物体的靶子的位置至多在1.5μm+1.5μm·L/m的校准偏差范围内变化，其中L为两个靶子之间的距离。
10.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，所述底座(230，240)的结合显示出至少一度的方向自由度，从而所述靶子和连接元件不受任何应力的影响。
11.根据前述权利要求之一的保持架，其特征在于，还包括至少一个安装座，所述保持架利用其可安装在所述测量体积之内。
12.测试物体，包括至少两个靶子和至少一个连接元件，其中，用于所述测试物体的所述靶子和连接元件可选自给定的一套单个靶子和单个连接元件，并且可组合形成一测试物体，以及所述靶子和连接元件的被配置成使得它们通过磁力保持在一起，所述测试物体足够稳定以通过根据权利要求1-11之一的保持架被支持，并且由于适当地选择所述靶子和连接元件的材料，所述测试物体的靶子的距离的热感应变化保持在测量容差的范围内。
13.根据权利要求12的测试物体，包括数个靶子和数个至少部分长度不同的连接元件。
14.根据权利要求12或13的球杆形式的测试物体，其特征在于，所述靶子按球的形式形成，而所述连接元件按杆的形式形成。
15.测试设备，包括至少一个根据权利要求1-11之一的保持架，以及至少一个根据权利要求12-14之一的测试物体。
全文摘要
本发明涉及一种用于测试物体的保持架，其包括至少一个托架、至少一个布置在托架之上或/和之内的导向装置、以及用于测试物体的靶子的底座，其中至少一个底座可沿至少一个导向装置移动，从而可移动底座的位置可调节而与测试物体的靶子的位置相适应，其中，测试物体可在位置调节而适应之后由保持架保持。此外，本发明涉及一种用于前述保持架的测试物体，包括至少两个靶子和至少一个连接元件，其中，用于测试物体的靶子和连接元件可选自给定的一套单个靶子和单个连接元件，并且组合形成测试物体，以及靶子和连接元件的装配使得它们通过磁力保持，并且由于合理选择靶子和连接元件的材料，测试物体的靶子的距离的热感应变化保持在测量公差的范围内。
文档编号G01B21/04GK1624429SQ20041009834
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月3日
发明者迪特马尔·海默 申请人:美特诺姆股份公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
