专利名称：三坐标测量机光栅读数头自适应机构的制作方法
技术领域：
本发明属于数控精密测量设备，涉及一种对光栅读数头调节装置改 进的三坐标测量机光栅读数头自适应机构。
技术背景现在应用最广的标尺系统为光栅测量系统，光栅尺分为金属光栅尺 和玻璃光栅尺。由于金属光栅比玻璃光栅具有热膨胀系数，更容易做到 与测量机主机材料接近一致，安装和调整比较方便，安装面积小，可制 成整根的钢带长光栅，不易碰碎等优点，因而应用于大型测量机更为适合。传统的带式金属光栅读数头调节装置多由可控制五个独立自由度的 支架组组成，或者由球铰与支架共同控制五个独立自由度的球铰-支架组共同组成。所谓五自由度光栅读数头安装支架是指读数头本身具有 6个自由度(3个平移，3个旋转)，但工作中只允许其存在一个可移动 的自由度——即沿坐标轴(光栅尺)方向的运动，而其它五个自由度的 运动完全被控制。这两类调节装置中的所有部件均为刚性连接，因而光 栅读数头仅能对坐标原点产生绝对位置尺寸的变化，不能对导轨的形状 变化及周围环境温度的变化产生随动。对于大行程测量机，光栅读数系 统读数距离的可调整范围及导轨的加工精度是至关重要的两个重要指 标。由于受光栅测量基本原理限制，目前，各光栅生产厂家生产的光栅 读数系统在测量过程中，光栅读数头与光栅尺之间的最佳读数距离的调 整范围均为士O. lmm。这就必然要求在测量机的机械行程范围内，导轨 的变形量不能大于0.2匪。由于目前的加工方法及加工设备还不能很好 的满足高精度导轨的加工要求，因而对导轨各项精度指标的提出及导轨 长度等设计参数均需进行严格限制，造成三坐标测量机的测量精度、行 程等都受到很大影响。 发明内容本发明的目的是设计一种能在运动过程中与导轨面(光栅尺安装面 包含在导轨面内)之间的相对距离保持不变，并与光栅读数头系统保持
刚性连接，带动光栅读数头系统沿坐标轴方向运动的三坐标测量机光栅 读数头自适应机构。本发明的技术解决方案是，自适应机构由气垫组件、气垫定位杆组 件和光栅读数头支架组件组成，弹力可调整气垫组件，气垫螺母与气垫螺纹套螺纹连接，气垫螺纹套内设置碟形弹簧，碟形弹簧的下端为球头螺杆，球头螺杆的下端用弹 性定位套与平垫连接，弹性定位套用螺钉固定在气垫上，气垫固定在光 栅读数头支架组件的转接板上；气垫定位杆组件，复位弹簧套在气垫定位杆上，气垫定位杆穿过定 位安装座内部的锐边，气垫定位杆螺纹连接在气垫上；光栅读数头支架组件，转接板、连接板及调整板均为角形板，转接 板的一个端面与弹力可调整气垫组件的气垫钢性连接，转接板的另一 个端面与连接板的一个端面用螺钉螺纹连接，连接板的另一个端面与调 整板的安装面中设置同轴销孔，圆柱销穿在其中，连接板与调整板用螺 钉连接，读数头安装板固定在调整板的另一个端面上。光栅读数头自适应机构，气垫螺纹套螺纹连接在主滑架上，气垫定 位杆组件与三坐标测量机上的主滑架用螺钉钢性连接，气垫在非工作状 态下导轨面与三坐标测量机上的主导轨贴合。球头螺杆与气垫之间的相对旋转角度与光栅读数头的旋转角度范 围相互匹配。光栅读数头支架组件的转接板的调整方向垂直于光栅尺的直线运 动方向并做旋转运动，连接板及调整板间通过圆柱销绕垂直于光栅尺的 平面的轴线旋转。球头螺杆与气垫的接触面为球面与平面的接触。气垫采用超硬铝材料加工而成，气垫导轨面的平面度在2 U m以下。 本发明的优点为1、弹力可调整气垫组件通过碟形弹簧的弹力作用，保证气垫与导轨间的气膜间隙始终为一定值，因而保证光栅读数头 与光栅尺安装面之间的距离始终在光栅读数头精确读数范围内，大大降低了测量机运动过程中丢失数据的机率及导轨加工难度；2、气垫定位 杆组件的设计，严格保证了气垫、球头螺杆之间的相对旋转角度与光栅 读数头所允许的旋转角度范围相互匹配。使光栅读数头在运动过程中安 全、平稳；3、光栅读数头支架与弹力可调整气垫组件采用刚性连接， 基本达到运动同步，保证了测量精度，并严格控制了光栅读数头系统除 沿坐标轴方向运动外的其他五个自由度；4、气垫定位杆组件采用分体 式连接，可拆卸性能良好。
图1是本发明的整体结构立体示意图；图2是本发明气垫定位杆组件与弹力可调整气垫组件立体结构示意A图3是本发明气垫定位杆组件与弹力可调整气垫组件平面结构示意 图；图4是本发明气垫定位杆组件的结构示意图；图5是本发明光栅读数头支架组件的立体结构示意图；图6是本发明光栅读数头支架组件的爆炸图；图7是本发明气垫13的立体图；图8是本发明与测量机进行连接后的整体结构立体示意图； 图9是本发明与测量机连接后的局部立体结构刨切图。
具体实施方式
自适应机构31由气垫组件1、气垫定位杆组件2和光栅读数头支架 组件3组成，弹力可调整气垫组件l，气垫螺母6与气垫螺纹套7螺纹连接，气 垫螺纹套7内设置碟形弹簧8，碟形弹簧8的下端为球头螺杆9，球头 螺杆9的下端用弹性定位套10与平垫11连接，弹性定位套10用螺钉 12固定在气垫13上，气垫13固定在光栅读数头支架组件3的转接板 19上；气垫定位杆组件2，复位弹簧18套在气垫定位杆16上，气垫定位 杆16穿过定位安装座17内部的锐边，气垫定位杆16螺纹连接在气垫 13上；光栅读数头支架组件3，转接板19、连接板20及调整板22均为角 形板，转接板19的一个端面与弹力可调整气垫组件1的气垫13钢性连 接，转接板19的另一个端面与连接板20的一个端面用螺钉21螺纹连 接，连接板20的另一个端面与调整板22的安装面中设置同轴销孔27，
圆柱销23穿在其中，连接板20与调整板22用螺钉24连接，读数头安 装板25固定在调整板22的另一个端面上。光栅读数头自适应机构31，气垫螺纹套7螺纹连接在主滑架30上， 气垫定位杆组件2与三坐标测量机上的主滑架30用螺钉33钢性连接， 气垫13在非工作状态下导轨面29与三坐标测量机上的主导轨32贴合。球头螺杆9与气垫13之间的相对旋转角度与光栅读数头4的旋转 角度范围相互匹配。光栅读数头支架组件3的转接板19的调整方向垂直于光栅尺5的 直线运动方向并做旋转运动，连接板20及调整板22间通过圆柱销23 绕垂直于光栅尺5的平面的轴线旋转。球头螺杆9与气垫13的接触面为球面与平面的接触。气垫13采用超硬铝材料加工而成，气垫导轨面29的平面度在2 P m 以下。组成三坐标测量机光栅读数头自适应机构的三个部件弹力可调整 气垫组件l、气垫定位杆组件2、光栅读数头支架组3。气垫定位杆组件 2通过气垫定位杆16顶端的螺纹与弹力可调整气垫组件1相连，光栅读 数头支架组3通过螺钉与弹力可调整气垫组件1进行刚性连接。弹力可调整气垫组件l由气垫螺母6、气垫螺纹套7、碟形弹簧8、 球头螺杆9、弹性定位套IO、平垫ll、高精度气垫13、快速接头14、 节流孔15共同组成。该组件通过球头对平面的铰接触形式限制气垫与 球头螺杆在平面内的相对运动(如图2所示)，即限制两个自由度。弹 力可调整气垫组件的连接方式如图3所示，气垫螺母6与气垫螺纹套7 通过螺纹连接，碟形弹簧8、球头螺杆9在气垫螺纹套7内通过各自选 定的间隙配合在气垫螺纹套7内沿轴向自由移动，球头螺杆9与平垫11 通过弹性定位套10将其连接，并用螺钉12固定在气垫13上。气垫13 为高精度气垫，其采用高强度超硬铝材料加工而成，气垫导轨面29的 平面度在2 u m以下，放置平垫11的圆柱形孔的底面平面度小于0. Olmm， 圆柱度小于O. 02mm。弹力可调整气垫组件1通过碟形弹簧8的弹力作用， 可保证气垫13与光栅尺5安装面间的气膜间隙为一定值。气垫定位杆组件由气垫定位杆16、定位安装座17、复位弹簧18共 同组成。气垫定位杆16穿过定位安装座17内部的锐边，复位弹簧18
套在气垫定位杆16的有螺纹部分一侧的光杆上。该组件通过两点一线 原则，及锐边限位方式，严格保证了球头螺杆9、气垫13之间的相对旋转角度与光栅读数头4所允许的旋转角度范围相互匹配。经过计算所需 采用锐边角度为60度，在实际使用过程中，该角度能满足使用需要。 在运动过程中，复位弹簧18可根据导轨面的平面度，使气垫13对导轨 的情况做出实时的快速反应。光栅读数头支架组3由三块高精度角板及一个圆柱销共同组成。转 接板19通过顶端的两个长形孔，与弹力可调整气垫组件1中的气垫13 进行刚性连接，保证了光栅读数头支架组件3的整体运动方向与弹力可 调整气垫组件1完全一致，且转接板19的调整方向为垂直于光栅尺5 方向(即沿Y方向)的直线运动和绕Z轴方向的旋转运动。连接板20 通过螺纹连接方式与转接板19相连，在连接板20上可进行沿Z轴方向 的上下移动以及绕X轴的旋转运动。调整板22通过螺纹连接方式与连 接板20进行刚性连接，在连接板20和调整板22的安装面上，均加工 出了圆柱销孔，且这两个圆柱销孔为同轴圆柱销孔。圆柱销23穿过连 接板20和调整板22的圆柱销孔，通过圆柱销23调整连接板20及调整 板22间绕Y轴的旋转运动。该组件严格控制了光栅读数头系统除沿坐 标轴方向运动外的其他五个自由度。调整板22与光栅读数头安装板25 通过螺纹连接，光栅读数头安装板25可对读数头进行沿Y轴方向的直 线运动及绕Z轴的旋转运动。本发明的安装、调整过程需要按一定歩骤进行首先，需要将气垫 螺纹套7、碟形弹簧8、球头螺杆9、定位安装座17等部件，通过螺纹 连接的方式，分别安装在测量机主滑架30的预留位置，再将高精度气 垫13、弹性定位套10与平垫11组合，并与球头螺杆9进行组装，调整 铰接触配合；待调整好后，将气垫定位杆16穿过定位安装座17内部的 锐边与气垫13进行连接，调整气垫的可运动角度；将光栅读数头支架 组3按设计要求进行安装、调整，待调整至所需精度范围内时，将其与 弹力可调整气垫组件1进行连接，对弹力可调整气垫组件1和光栅读数 头支架组件3进行整体调整，达到所需精度要求后再对气垫进行通气， 调整碟形弹簧的弹力，保证测量机在沿坐标轴方向运动时气垫间隙值的 变动范围严格限制在光栅读数头的最佳工作状态下，完成整个的调整过程。本发明中的光栅读数头自适应机构31与导轨面始终保持平行、靠 近但不接触。在该机构处于工作状态时，要求根据该机构所需间隙值， 给定弹力可调整气垫组一特定压力值，使弹性气垫与导轨面间的气膜间 隙保持在所需精度范围之内，以保证整套机构安全、可靠工作。
权利要求
1.一种包括光栅读数头支架组的三坐标测量机光栅读数头自适应机构，其特征是，自适应机构(31)由气垫组件(1)、气垫定位杆组件(2)和光栅读数头支架组件(3)组成，弹力可调整气垫组件(1)，气垫螺母(6)与气垫螺纹套(7)螺纹连接，气垫螺纹套(7)内设置碟形弹簧(8)，碟形弹簧(8)的下端为球头螺杆(9)，球头螺杆(9)的下端用弹性定位套(10)与平垫(11)连接，弹性定位套(10)用螺钉(12)固定在气垫(13)上，气垫(13)固定在光栅读数头支架组件(3)的转接板(19)上；气垫定位杆组件(2)，复位弹簧(18)套在气垫定位杆(16)上，气垫定位杆(16)穿过定位安装座(17)内部的锐边，气垫定位杆(16)螺纹连接在气垫(13)上；光栅读数头支架组件(3)，转接板(19)、连接板(20)及调整板(22)均为角形板，转接板(19)的一个端面与弹力可调整气垫组件(1)的气垫(13)钢性连接，转接板(19)的另一个端面与连接板(20)的一个端面用螺钉(21)螺纹连接，连接板(20)的另一个端面与调整板(22)的安装面中设置同轴销孔(27)，圆柱销(23)穿在其中，连接板(20)与调整板(22)用螺钉(24)连接，读数头安装板(25)固定在调整板(22)的另一个端面上；光栅读数头自适应机构(31)，气垫螺纹套(7)螺纹连接在主滑架(30)上，气垫定位杆组件(2)与三坐标测量机上的主滑架(30)用螺钉(33)钢性连接，气垫(13)在非工作状态下导轨面(29)与三坐标测量机上的主导轨(32)贴合。
2. 根据权利要求1所述的三坐标测量机光栅读数头自适应机构， 其特征是，球头螺杆(9)与气垫(13)之间的相对旋转角度与光栅读 数头(4)的旋转角度范围相互匹配。
3. 根据权利要求1所述的三坐标测量机光栅读数头自适应机构， 其特征是，光栅读数头支架组件(3)的转接板(19)的调整方向垂直 于光栅尺(5)的直线运动方向并做旋转运动，连接板(20)及调整板(22)间通过圆柱销(23)绕垂直于光栅尺(5)的平面的轴线旋转。
4. 根据权利要求1所述的三坐标测量机光栅读数头自适应机构， 其特征是，球头螺杆(9)与气垫(13)的接触面为球面与平面的接触。
5. 根据权利要求1所述的三坐标测量机光栅读数头自适应机构，其特征是，气垫(13)采用超硬铝材料加工而成，气垫导轨面(29)的 平面度在2um以下。
全文摘要
本发明属于数控精密测量设备，涉及一种对光栅读数头调节装置改进的三坐标测量机光栅读数头自适应机构。自适应机构由弹力可调整气垫组件、气垫定位杆组件和光栅读数头支架组件组成。弹力可调整气垫组件通过碟形弹簧的弹力作用，保证气垫与导轨间的气膜间隙始终为一定值；气垫定位杆组件的设计，严格保证了气垫、球头螺杆之间的相对旋转角度与光栅读数头所允许的旋转角度范围相互匹配，使光栅读数头在运动过程中安全、平稳；光栅读数头支架与弹力可调整气垫组件采用刚性连接，基本达到运动同步，保证了测量精度，气垫定位杆组件采用分体式连接，可拆卸性能良好。
文档编号G01D5/38GK101126631SQ20071015160
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月25日 优先权日2007年9月25日
发明者霞 郭 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空精密机械研究所