专利名称：自动换刀机械手臂运动轨迹的测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于加工中心自动换刀系统机械手臂的空间运动轨迹跟踪测量领域，是利用二维位置敏感探测器构成的三维测量装置，实现机械手臂运动轨迹的非接触式在线测量。
背景技术：
近年来，随着装备制造业的快速发展，以加工中心为代表的高档数控机床的需求量与日俱增，作为加工中心的关键功能部件一大型刀库的自动换刀系统(Automatic ToolChanger，简称ATC)的研发受到国内外政府、企业的高度重视。ATC作为加工中心刀库的重要组成部分，是刀库与机床主轴的中间桥梁，主要功能是将加工使用刀具自动装夹到主轴上，并把主轴上不再使用的刀具卸载放回刀库中。ATC的应用极大的提高了机床的加工效率，使一次装夹完成多道工序或全部工序成为可能，已成为现代加工中心必不可少的功能 部件，自发明至今已经形成以转塔式和刀库式为主的多种类型的成品。大型刀库式自动换刀系统储刀能力强，适合复杂多工序加工场合，成为目前制造业的研究热点。经过几年的创新、研发和制造，国内外知名机床生产厂商都已形成了具有一定规模的、具有自主知识产权的先进大型刀库自动换刀系统，但是对于自动换刀系统的可靠性检测，从国家标准、机械行业到企业标准中都只是一些总体要求，没有规范的检测方法和可以量化的设备。ATC具有启动频繁、工作动作多、传递机构复杂、运动精度要求高及测量空间狭窄等特点，导致其加工运动轨迹的跟踪测量很困难。对于目前广泛使用的弧面凸轮式ATC来说，运动轨迹的测量结果可以有效的反映出凸轮的制造误差和装配误差对ATC定位精度的影响程度，对刀库自动换刀系统的可靠性检测具有重大意义。目前，国内外对机构运动轨迹的跟踪测量的研究并不多，主要集中在简单机构的平面运动轨迹的测量方面，如秦威的《基于CCD技术的平面机构运动研究》，测量目标处于二维空间内，测量精度要求较低，而ATC机械手臂的运动轨迹是三维空间内的复杂曲线。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺欠，由于加工中心ATC机构复杂，驱动凸轮加工精度难于检测，装配精度对终端运动误差的影响难于评价，整体结构的封闭性增加了运动状态的检测难度，故形成有效的可靠性检测方法困难。本发明结合位置敏感探测器(Position Sensory Device,简称PSD)和双目视觉三维测量原理发明了一种基于两个二维PSD相机的非接触式三维测量方法和装置。根据所测量的机械手臂的实际运动轨迹来研究自动换刀系统的故障状态，并形成一种有效的刀库换刀机构可靠性检测方法。本发明采用PSD提取目标光点坐标的方式，响应速度快，满足实时在线测量要求；通过机械手臂的运动轨迹可以判断换刀过程中的定位精度、运动平稳性等运动状态，为刀库可靠性检测提供量化方法。本发明要解决的技术方案是一种自动换刀机械手臂运动轨迹的测量方法，该方法是一种基于二维PSD的非接触式三维在线测量方法。作为被测目标的光源安装在被测量ATC机械手臂上，测量原理如图I所示，光源通过透镜投射在由两个位置敏感探测器组成的PSD相机的二维感应屏上形成光斑，两个PSD相机在光斑的激发下各自输出二维坐标值，经过信号处理器后输出与坐标位置对应的电压值，计算机通过电压采集卡将相应信号采集保存，由两组采集到的二维坐标值反算出被测光源的三维坐标值。最后，依据高频采集的数据计算出一系列离散点构成机械手臂的运动轨迹。I)在三维测量之前要获得PSD相机的高精度的内外参数，测量方法如下设被测目标光源所在的坐标系为世界坐标系W，投射光斑所在坐标系为PSD坐标系S，镜头坐标系L、图像坐标系I、PSD坐标系S参照图2所示，设世界坐标系W下点P (Xff,Yw，Zff)，其对应的投射点P’在PSD坐标系S下的坐标为(u，v)，二者之间的转换关系为
权利要求
1.一种自动换刀机械手臂运动轨迹的测量方法，其特征在于该方法是一种基于二维PSD的非接触式三维在线测量方法，作为被测目标的光源安装在被测量ATC机械手臂上，光源通过透镜投射在由两个位置敏感探测器组成的PSD相机的二维感应屏上形成光斑，两个PSD相机在光斑的激发下各自输出二维坐标值，经过信号处理器后输出与坐标位置对应的电压值，计算机通过电压采集卡将相应信号采集保存，由两组采集到的二维坐标值反算出被测光源的三维坐标值，最后，依据高频采集的数据计算出一系列离散点构成机械手臂的运动轨迹；具体步骤如下 I)PSD相机内外参数的测量 设被测目标光源所在的坐标系为世界坐标系W，投射光斑所在坐标系为PSD坐标系S，设世界坐标系W下某点P (Xff, Yff, Zff)，其对应的投射点P’在PSD坐标系S下的坐标为P’(U，V) , _■者之间的转换关系为
2.如权利要求I所述的一种自动换刀机械手臂运动轨迹的测量方法，其特征在于该方法采用的测量装置是以两个PSD相机为核心具有多自由度的测量装置；测量装置中在竖直方向、水平方向有位移调整机构，还有旋转角度及俯仰的调整机构，装置的具体结构如下 底座(23)的立板上加工有螺栓孔，带断电保护的Z轴电控平台(28)用螺栓固定在立板上，竖直方向的位移调整机构是由电机(17)通过滚珠丝杠(18)带动承载工作台(24)在竖直方向移动，通过一组螺栓(22)在滑动承载工作台(24)上安装两个高度差可调的滑轨(21)，滑轨的顶部的水平燕尾导轨与小托板(20)配合，小托板(20)上的PSD相机在水平方向的位置通过该水平方向位移调整机构调整；调整旋转角度的旋转平台(25)和调整俯仰角角度的位移平台(26)依次装配到小托板(20)上，左PSD相机(27)和右PSD相机(19)分别安装在角位移平台(26)的工作台上； PSD相机整体结构由聚焦部分、位置敏感探测器、微调部分和连接框架四部分组成；聚焦部分使用的是工业定焦镜头(29)，调节镜头中的光圈改变PSD感应屏上投影光斑的大小和光度，工业镜头(29)与L型连接板(30)通过标准C 口连接，位置敏感探测器(31)采用 10针通讯电缆与信号处理器连接，位置敏感探测器(31)安装在手动微进给平台(35)的工作台上，通过调整微进给平台(35)可以调节位置敏感探测器(31)与工业镜头(29)之间的距离，L型连接板(30)和定位转接板(34)构成了连接框架部分，位置敏感探测器(31)通过定位销(32)和位置敏感探测器(31)底面的螺纹定位并夹紧在定位转接板(34)，定位转接板(34)通过内六角螺钉(33)固定在一维手动平移台(35)的工作台上。
全文摘要
本发明一种自动换刀机械手臂运动轨迹的测量方法和装置属于加工中心自动换刀系统机械手臂的空间运动轨迹跟踪测量领域。该方法是一种基于二维PSD的非接触式三维在线测量方法，作为被测目标的光源安装在被测量ATC机械手臂上，光源通过透镜投射在由两个位置敏感探测器组成的PSD相机的二维感应屏上形成光斑，两个PSD相机在光斑的激发下各自输出二维坐标值，经过信号处理器后输出与坐标位置对应的电压值，计算机通过电压采集卡将相应信号采集保存。该方法响应速度快，满足实时在线测量要求。通过机械手臂的运动轨迹可以判断换刀过程中的定位精度、运动平稳性等运动状态，为刀库可靠性检测提供量化方法。
文档编号B23Q3/155GK102699733SQ20121019289
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者刘巍, 卢晓红, 王福吉, 贾振元, 韩鹏卓 申请人:大连理工大学