专利名称：单关节臂在线原位测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机械量測量技术及仪器领域，尤其涉及在线测量系统。具体讲，涉及单关节臂在线原位測量系统。
背景技术：
国民经济与国防的发展对于产品的精度要求越来越高、各种形状复杂的零件所占的比重越来越大。这些高精度复杂零件加工时间长、加工费用高，不合格品带来的损失大。在加工エ艺过程中采用适当的检测装置，适时地检测加工件的各种尺寸、形状、位置參数，对于提高加工精度，保证产品质量、防止或减少废品，具有重要意义。图I是典型的加工中測量装置示意图。測量装置103在エ件102的加工过程中测量エ件的尺寸。当エ件102的尺寸接近所要求尺寸时，測量装置103发出指令，让机床由粗 加工转为精加工。当エ件102的尺寸达到所要求尺寸时，測量装置103发出指令，停止加工。图I中101是机床床头箱，104是尾架。这种加工中測量装置能够有效地提高加工精度，防止产生废品。意大利Marpose公司和我国中原量仪厂等生产这类加工中測量装置。但是这类加工中測量装置只能用于轴径、孔径、台阶高度等一些简单參数的測量。而国民经济与国防中需要加工许多复杂的零件，如发动机整体叶盘、齿轮、箱体等。这些零件形状复杂，首先需要检测的是叶片或齿面等复杂曲面的形状，以及它们的相对位置。图I所示加工中測量装置显然是无能为力的。对于这类复杂零件，目前最常用的方法是在生产线的两个エ序间放置一些专用的、或包括三坐标测量机在内的通用测量仪器。在完成ー个加工エ序后对加工件进行较全面的检测。根据检测结果只让在上一道エ序符合要求的零件进入下一道エ序。这样做的好处是避免让不合格的件进入下一道エ序，造成エ时的浪费。这种方法属于在线检测，它在生产线上进行检測，但不是原位检测，它不在加工エ位上进行检测，而是在前一台机床上加工完后卸下，送到測量机上进行检测。发动机整体叶盘、大型齿轮、大型箱体等都是十分昂贵的，对于原材料要求也很高。原材料与前面已完成的エ序加工费用都很高。如果因为某一道エ序中某些局部參数不符合要求而报废是十分可惜的，应当尽可能进行返修，使之成为合格件。但是目前广泛采用的在线测量方法是在加工完毕后，将它从机床上卸下，送到測量机上进行检測。如果发现某些局部參数不符合要求再送回原机床返修存在许多困难。一是整个エ艺流程不顺，ニ是将エ件从机床上卸下后就失去了它的安装基准，重新安装会因基准改变带来误差。为了解决这两个问题要求进行在线在位检测。有的数控机床和加工中心带有检测装置。最简单的是在加工完毕后，用机床上配置的测头检测刀具的磨损。这种方法只能发现刀具的磨损，发现不了其它加工误差。较先进的方法是，在刀具退出后，在刀具处换上测头，利用机床带动测头运动，对エ件进行检測。这种方法固然能够发现由于刀具磨损、机床振动、由于切削力引起的变形等影响，但是从原理上说它存在问题，它不能发现由于机床运动误差而产生的种种误差。刀具与测头是由同ー控制系统、运动机构带动运动，机床的运动误差同时影响加工误差与测量误差。
发明内容
本发明g在解决克服现有技术的不足，提供一种机械加工在线测量装置，能够检测到刀具磨损、机床振动、由于切削力引起的变形、机床运动误差等对加工产生的影响，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，单关节臂在线原位測量装置，由关节臂、测头回转体、测头、z向运动部件、X向运动部件、误差补偿系统及数据处理与控制计算机、电动机组成；关节臂采用比重小、弹性模量大的碳素纤维制作；关节臂的前端安装有测头回转体，测头安装在测头回转体上，关节臂套装在径向与轴向运动误差小、角摆运动误差小的精密轴系上，套装锁死吋，关节臂随精密轴系转动，套装松开时，关节臂可以绕精密轴系转动；Z向运动部件由精密轴系、z向滑板、导轨座组成，精密轴系上安装有精密测角系 统，在计算机控制下电动机经过减速箱带动精密轴系转动从而带动关节臂转动所需角度，精密测角系统测得转动所需角度；精密轴系的座固定在Z向滑板上，Z向滑板上的两个滑枕与Z向导轨座上的精密导轨构成直线运动导轨副，Z向滑板和Z向导轨座上分別装有光栅尺与读数头，利用光栅尺与读数头读出Z向滑板相对于Z向导轨座的移动量，在计算机控制下，另ー电动机经过其减速箱和丝杠带动Z向滑板移动到所需位置；X向运动部件由X向滑板构成，z向导轨座固定在X向滑板上，X向滑板上的两个滑枕与机床基座上的精密导轨构成直线运动导轨副，X向滑板和基座上分別装有光栅尺与读数头，利用该光栅尺与读数头读出X向滑板相对于基座的移到量；在计算机控制下，第三个电动机经过其減速箱和丝杠带动X向滑板移动到所需位置；误差补偿系统的组成为在机床基座上装有自准直光管，在z向滑板上装有长反射镜，在测量过程中自准直光管测量长反射镜的角度位置的变化，并按此引入误差补偿；精密轴系的座与z向滑板的相对位置、z向导轨座与X向滑板的相对位置均可调整；根据标定结果，利用測量机的调整机构将精密轴系的转轴与Z向运动调平行，将Z向运动调到与X向运动垂直，由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据。回转体为能够连续回转的测头回转体，或非连续回转的测头回转体，测头为扫描或触发测头，回转体做绕水平与竖直轴转动、关节臂绕精密轴系转动、Z向滑板做Z向运动；X向滑板做X向运动，最終带动测头实现5自由度的运动。单关节臂在线原位測量方法借助于前述单关节臂在线原位測量装置实现，包括下列步骤将精密轴系的转轴与z向运动调平行，将z向运动调到与X向运动垂直，由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据；将关节臂即测头回转体的回转中心到与精密轴线5轴线的垂线与X向运动平行的位置定义为关节臂转角e的零位，将测头回转体绕B轴即竖直轴转动时测端位置不变的位置定义为测头回转体3的a角零位，将a =90°时，测头的探针与关节臂平行位置定义为测头回转体的0角零位；在将整个測量机安装到机床旁后，还需要通过标定，将测量机的X向运动调整到与机床相应运动平行，并让测头的探针在a =90°=0°时通过机床转台的轴线；根据测量机的原理结构、建立測量机的数学模型；让关节臂4按与收拢时相反的方向转180°，进入工作状态；按照测量任务的要求，根据所建立的数学模型，形成测量的路径规划，在计算机控制下，完成单个叶片或齿、或某个局部的測量，利用测头具有的5个运动自由度，在计算机控制下让测头探针以合适的方向伸入被测零件的槽内、测端移动到指定的待测点；根据需要，进行扫描或点位測量，同时采集X向滑板、z向滑板的坐标值X和z、关节臂的转角e、测头回转体绕水平和竖直轴的转角a和0、测头在自身坐标系下三个方向的空间坐标的长度向量读数S、自准直光管在两个方向的角度值小、V，假设垂直于自准 直光管的光路作一平面，其中小、V方向分别为该平面内的水平方向与铅直方向，对测量信号进行调理，含模数转换后进行存储；根据所建立的数学模型和由标定得到的測量机的各个參数和误差值进行误差补偿，获得所测点云各个点的坐标值，对所得到的点云的坐标值进行数据拟合和重构，获得被测曲面的形状；将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学模型进行比较，合乎要求的通过验收，或允许其进入下ーエ序；对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序。本发明具有如下技术效果I、尺寸小，便于在机床旁安装，实现原位測量。2、重量轻，在必要时可以从机床旁移开，不影响机床其它工作。3、測量部件可以方便地退到机床玻璃罩外，不受冷却液和切屑影响。测头可以收拢，免受损坏。4、配有测头回转体，測量机具有5个运动自由度，能够在计算机控制下让探针伸入被测零件的槽内、测端移动到指定的待测点。可以测量各种槽窄、扭转角大的复杂型面。5、可以利用机床转台，将需要测量的部位转到机床前端，进行测量。同时通过检测安装在机床转台上的标准球盘上某ー个或若干球的球心位置变化，对机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差进行补偿，使机床转台误差对测量结果没有影响。6、只有ー个在水平面内转动的关节臂，关节臂的转动对于它的重力变形没有影响。关节臂转角较小，关节臂转动时关节臂及测头、测头回转体的重量对于X向与和z向运动部件作用臂长变化小，所引起的重力变形变化小。7、在基座上装有自准直光管，在z向滑板上装有长反射镜。可以有效地补偿X向与和z向运动部件角运动误差和重力变形变化的影响，提高測量精度。8、竖直运动部件处于中间环节，竖直运动部件只需要带动关节臂、测头、测头回转体及z向滑板，驱动方便。9、測量机具有性能良好的控制系统和丰富的测量软件，可以对测量数据进行调理、误差补偿、拟合和重构，并形成返修指令。
图I为轴类零件加工中测量装置示意图。图中，101是机床床头箱，102エ件，103測量装置，104是尾架。图2为机床的典型布局示意图。图中，I辅助エ位、2机床工作台、刀架3、4转台、另ー辅助エ位5。图3为单关节臂在线原位测量机工作原理图。图中，31电动机，32测头，33回转体，34关节臂，35精密轴系，36竖直滑板，37长反射镜，38导轨座，39丝杠，310滑枕，311电动机，312水平滑板，315滑枕，314另ー电动机，316基座，317自准直光管。图4为处于收拢状态的单关节臂測量机示意图。图5为装有标准球盘的机床示意图。
具体实施例方式计量学的一条基本原则是检测装置应该独立于加工机床。
为了实现原位測量，測量机应该符合下列要求。I.体积小为实现原位測量，測量机必须放置在机床近旁，而机床近旁通常没有多少空间。图2是数控机床与加工中心的ー种典型布局。加工件安装在机床工作台2的转台4上，它的后方是刀架3，前方有两个辅助エ位I和5，供上下料用。測量机只能安装在两个辅助エ位I和5之间的狭小地帯(通常只有四、五百毫米宽)内。此外测量机在X方向也有一定限制，它不应伸出到车间过道。2.重量轻两个辅助エ位I和5之间的狭小地带虽然可以安装原位測量用的測量机，但是不宣永久占用，因为在有的情况下还希望能够利用这一空间进行一些其它工作，如维护、清理等。3.探測部件具有退出与收拢功能在测量时，探測部件应该至少能够伸到转台4的转轴处，以实现对エ件的全面測量。加工时探测部件应该退到机床的玻璃罩外，以免受冷却液和切屑影响。探測部件最好还具有收拢功能，使测头得到有效保护。4.具有足够的测量范围，灵活的探測性能，能够伸入到エ件的各个部位，对エ件实现全面測量。5.具有通用性，能够测量在该机床上加工的各种零件。6.具有高的測量精度，能够满足加工需要。7.测量效率高，測量能够自动进行，以减少測量占用的机床エ时。8.測量结果能够用于零件的返修，形成返修指令。显然，目前广泛应用的正交式三坐标测量机由于体积大、重量重，无法满足上述要求，不适用于エ件的在线原位測量。目前存在的商品关节臂測量机，由于精度低、一般采用手动操作、效率低，也无法满足上述要求，不适用于在线原位測量。本发明提供了一种能够在机床加工完毕后，在加工原位，不卸下エ件，对复杂エ件进行各种尺寸、形状、位置參数全面检测的測量系统。在发现加工件不符合要求情况下，能够对机床发出返修指令、进行返修加工的測量系统。本发明的关节臂在线原位測量系统由图3所示各部分组成。它的主要特征是I.它的前端(安装测头的一端)是ー个可以绕竖直精密轴系35转动的关节臂34。在测量时，它伸入机床玻璃罩内测量エ件；测量完毕后，关节臂34在计算机控制下，由电动机31通过减速箱带动，转动180°，退到机床玻璃罩外。
2.为适应測量整体叶盘等复杂零件的需要，在关节臂34的前端安装有测头回转体33与测头32。为了能够正确探測，不仅要求测端能够在计算机控制下移动到指定的待测点，而且要求测头32的探针能够方便地伸入槽内，这就是说要求測量机具有5个自由度。这里依靠测头回转体33可以做绕水平与竖直轴转动、关节臂34能够绕精密轴系35转动、竖直滑板36可以做z向运动；水平滑板312可以做X向运动，实现5自由度的运动。3.由于测量机没有y向直线运动,不需要y向运动导轨,大大地减小测量机y向尺寸，使它能够方便地安装在机床的两个辅助エ位之间(參看图2)。这里测端的y向位移由关节臂34的转动产生，它们之间具有非线性关系。关节臂34的转动还会引起X向的附加运动。实际上即使采用正交式三坐标测量机，测头回转体的转动也会引起测端的在X、I、z三个方向的附加位移。这些问题很容易通过建立数学模型，在计算机控制程序中解決。4.測量完毕后首先将测头32的探针转到水平向后的位置，然后通过将关节臂34转动180°，将整个测量装置退到机床玻璃罩外，并收拢，如图4所示，使测头得到保护。与 单纯依靠移动X向滑板312，将整个測量装置退到机床玻璃罩外相比，大大地减小了所需要的X向行程，减小了測量机X向尺寸。5.由于同时减小了测量机在X与y方向的尺寸，使测量机的重量大幅度地减轻。在需要的时候，可以较方便地从机床旁移开。6.测头回转体33与测头32可以根据任务情况选择。对于整体叶盘等叶片扭转角很大，而相邻叶片间槽很窄的零件，需要采用能够连续回转的测头回转体，如Revo。而对于一般齿轮等扭转角不是很大，而相邻齿间槽较宽的零件，可以采用非连续回转的测头回转体，如PH10、TESASTAR等。根据对于精度与测量效率的要求，可以采用扫描或触发测头。通过选用适当的测头回转体与测头，測量机可以探测各种具有复杂形状的零件，并具有较高的测量效率。7.为了补偿由于X向滑板312与z向滑板36的角运动误差，以及关节臂34转动过程中可能引起的z向与X向运动部件的变形发生变化，在基座316上装有自准直光管317，在z向滑板36上装有长反射镜37。在测量过程中自准直光管317测量长反射镜37的角度位置的变化，并按此引入误差补偿，提高了測量精度。8.对于整体叶盘、齿轮等复杂零件，由于从机床后端(图2中的-X端)探入困难，需要通过转动机床转台(图2中的件4)，将需要测量的叶片或齿转到机床前端，进行测量。为了避免机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差的影响，在机床转台上安装ー个标准球盘6，如图5所示。图5中其它符号的含义与图2相同。通过用本測量机检测转台4转动前后标准球盘6上某ー个或若干球的球心位置变化，可以检测出机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差，并对其进行误差补偿。9.根据需要，測量机可以进行扫描或点位測量。測量机同时采集X向滑板312、z向滑板36的坐标值X和z、关节臂34的转角0、测头回转体33绕水平和竖直轴的转角a和测头32的读数S、自准直光管317在两个方向的读数トV。测头在自身坐标系下三个方向的空间坐标的长度向量读数为S、自准直光管在两个方向的角度值ギ、V，假设垂直于自准直光管的光路作一平面，其中ル￥方向分别为该平面内的水平方向与铅直方向。对測量信号进行调理(含模数转换)后进行存储。根据所建立的数学模型和由标定得到的测量机的各个參数和误差值进行误差补偿，获得所测点云各个点的坐标值。对所得到的点云各个点的坐标进行数据拟合和重构，获得被测曲面的形状。对于需要通过转动机床转台才能实现全盘测量的零件，还要根据测量标准球盘上球心位置的结果，对机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差进行误差补偿，并将測量结果统一到同一坐标系中。将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学模型进行比较，合乎要求的通过验收，或允许其进入下ーエ序。对偏离技术要求的，计算各点的返修量，并形成返修加工程序，进行返修。下面结合附图和具体实施方式
，进ー步详细说明本发明。本发明的目的在于提供一种能够在零件加工后、在加工原位对加工件的尺寸、形状、各个元素的相对位置进行检测的在线、原位測量系统。它可以用于检测各种复杂型面，并能够在需要时输出返修指令。它具有尺寸小，可以安装在机床旁，重量轻、必要时可以移开，进行各种误差补偿、精度高的特点。本发明提出了一种单关节臂在线原位測量系统。其工作原理如图3所示。I.它由关节臂34及安装在其上的测头回转体33与测头32、z向运动部件、x向运 动部件、误差补偿系统及数据处理与控制系统等部分組成。2.关节臂34采用比重小、弹性模量大的碳素纤维制作。在它的前端安装有测头回转体33与测头32。测头回转体33与测头32可以根据任务情况选择。对于整体叶盘等叶片扭转角很大，而相邻叶片间槽很窄的零件，需要采用能够连续回转的测头回转体，如Revo0而对于一般齿轮等扭转角不是很大，而相邻齿间槽较宽的零件，可以采用非连续回转的测头回转体，如PHKKTesastar等。根据对于精度与测量效率的要求，可以采用扫描或触发测头。3.关节臂4可以绕径向与轴向运动误差小、角摆运动误差小的精密轴系35转动。精密轴系35上安装有精密测角系统。在计算机控制下电动机31经过减速箱带动关节臂34转动所需角度。关节臂34在ー个方向可以转动180°，以将整个测量机退出到机床玻璃罩夕卜，不受冷却液和切屑影响。测头32可以收拢，免受损坏。在另ー个方向的最大转角根据
量程需要设定。4.精密轴系35的座固定在z向滑板36上，z向滑板36上的两个滑枕310与z向导轨座38上的精密导轨构成直线运动导轨副，z向滑板36和z向导轨座38上分別装有光栅尺与读数头，利用它读出z向滑板36相对于z向导轨座38的移动量。在计算机控制下，电动机311经过减速箱和丝杠39带动z向滑板36移动到所需位置。5. z向导轨座38固定在X向滑板312上，x向滑板312上的两个滑枕315与基座316上的精密导轨构成直线运动导轨副，X向滑板312和基座316上分別装有光栅尺与读数头，利用它读出X向滑板312相对于基座316的移到量。在计算机控制下，电动机314经过減速箱和丝杠313带动X向滑板312移动到所需位置。6.精密轴系35的座与z向滑板36的相对位置、z向导轨座38与x向滑板312的相对位置均可以调整。根据标定结果，利用測量机的调整机构将精密轴系35的转轴与z向运动调平行，将z向运动调到与X向运动垂直。由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据。7.通过标定，将关节臂34(即测头回转体33的回转中心到与精密轴线35轴线的垂线)与X向运动平行的位置定义为关节臂34转角0的零位。将测头回转体33绕B轴(竖直轴)转动时测端位置不变的位置定义为测头回转体33的a角零位。将a =90°时，测头32的探针与关节臂34平行位置定义为测头回转体33的P角零位。8.在将整个測量机安装到机床旁后，还需要通过标定，将测量机的X向运动调整到与机床相应运动平行，并让测头32的探针在a =90°= 0°时通过机床转台34(參看图2)的轴线。9.根据测量机的原理结构、建立測量机的数学模型。10.以测量机在图4所示处于收拢状态的位置作为“回家”位置。在零件加工完毕、并打开机床玻璃罩后，让关节臂4按与收拢时相反的方向转180°，測量机进入工作状态。11.按照测量任务的要求，根据所建立的数学模型，形成測量机的路径规划。在计算机控制下，測量机完成单个叶片或齿、或某个局部的測量。利用測量机具有的5个运动自由度，在计算机控制下让探针以合适的方向伸入被测零件的槽内、测端移动到指定的待测点。12.根据需要，測量机可以进行扫描或点位測量。測量机同时采集X向滑板312(图
3)、z向滑板36的坐标值X和z、关节臂34的转角0、测头回转体33绕水平和竖直轴的转角a和P、测头32的读数S、自准直光管317在两个方向的读数小、V。对测量信号进行调理(含模数转换)后进行存储。根据所建立的数学模型和由标定得到的測量机的各个參数和误差值进行误差补偿，获得所测点云各个点的坐标值。对所得到的点云的坐标值进行数据拟合和重构，获得被测曲面的形状。13.对于需要通过转动机床转台才能实现全盘测量的零件，需要在完成单个叶片或齿、或某个局部的測量后，转动机床转台4(图5)，将所需测量的叶片或齿、或某个部位转 到測量机前方，继续测量。还要利用測量机测量标准球盘6上某个或某些球心在转动前后的位置。根据测量标准球盘6上球心位置的结果，对机床转台4的分度误差和转轴的径向与轴向运动误差进行误差补偿，并将測量结果统一到同一坐标系中。14.将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学模型进行比较，合乎要求的通过验收，或允许其进入下ーエ序。对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序。15.在完成全部測量后，在计算机控制下，測量机回到图4所示“回家”位置。16.如果测量结果表明所加工零件符合要求，则将零件送到图5所示辅助エ位I或5后卸下。接着安装并加工下一零件。如果测量结果表明所加工零件偏离技术要求，则エ件留在原位，关闭机床玻璃罩。根据所形成的返修加工程序，进行返修加工。
权利要求
1.一种单关节臂在线原位测量装置，其特征是，由关节臂、测头回转体、测头、Z向运动部件、X向运动部件、误差补偿系统及数据处理与控制计算机、电动机组成； 关节臂采用比重小、弹性模量大的碳素纤维制作；关节臂的前端安装有测头回转体，测头安装在测头回转体上，关节臂套装在径向与轴向运动误差小、角摆运动误差小的精密轴系上，套装锁死时，关节臂随精密轴系转动，套装松开时，关节臂可以绕精密轴系转动； Z向运动部件由精密轴系、Z向滑板、导轨座组成，精密轴系上安装有精密测角系统，在计算机控制下电动机经过减速箱带动精密轴系转动从而带动关节臂转动所需角度，精密测角系统测得转动所需角度；精密轴系的座固定在Z向滑板上，Z向滑板上的两个滑枕与Z向导轨座上的精密导轨构成直线运动导轨副，Z向滑板和Z向导轨座上分别装有光栅尺与读数头，利用光栅尺与读数头读出Z向滑板相对于Z向导轨座的移动量，在计算机控制下，另一电动机经过其减速箱和丝杠带动Z向滑板移动到所需位置； X向运动部件由X向滑板构成，Z向导轨座固定在X向滑板上，X向滑板上的两个滑枕与机床基座上的精密导轨构成直线运动导轨副，X向滑板和基座上分别装有光栅尺与读数头，利用该光栅尺与读数头读出X向滑板相对于基座的移到量；在计算机控制下，第三个电动机经过其减速箱和丝杠带动X向滑板移动到所需位置； 误差补偿系统的组成为在机床基座上装有自准直光管，在Z向滑板上装有长反射镜，在测量过程中自准直光管测量长反射镜的角度位置的变化，并按此引入误差补偿； 精密轴系的座与Z向滑板的相对位置、Z向导轨座与X向滑板的相对位置均可调整；根据标定结果，利用测量机的调整机构将精密轴系的转轴与Z向运动调平行，将Z向运动调到与X向运动垂直，由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据。
2.如权利要求I所述的传感器，其特征是，回转体为能够连续回转的测头回转体，或非连续回转的测头回转体，测头为扫描或触发测头，回转体做绕水平与竖直轴转动、关节臂绕精密轴系转动、Z向滑板做Z向运动；X向滑板做X向运动，最终带动测头实现5自由度的运动。
3.一种单关节臂在线原位测量方法，其特征是，借助于前述单关节臂在线原位测量装置实现，包括下列步骤 将精密轴系的转轴与Z向运动调平行，将Z向运动调到与X向运动垂直，由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据； 将关节臂即测头回转体的回转中心到与精密轴线5轴线的垂线与X向运动平行的位置定义为关节臂转角Θ的零位，将测头回转体绕B轴即竖直轴转动时测端位置不变的位置定义为测头回转体3的α角零位，将α =90°时，测头的探针与关节臂平行位置定义为测头回转体的β角零位； 在将整个测量机安装到机床旁后，还需要通过标定，将测量机的X向运动调整到与机床相应运动平行，并让测头的探针在α = 90°、β = 0°时通过机床转台的轴线； 根据测量机的原理结构、建立测量机的数学模型； 让关节臂4按与收拢时相反的方向转180°，进入工作状态； 按照测量任务的要求，根据所建立的数学模型，形成测量的路径规划，在计算机控制下，完成单个叶片或齿、或某个局部的测量，利用测头具有的5个运动自由度，在计算机控制下让测头探针以合适的方向伸入被测零件的槽内、测端移动到指定的待测点； 根据需要，进行扫描或点位测量，同时采集X向滑板、z向滑板的坐标值X和z、关节臂的转角Θ、测头回转体绕水平和竖直轴的转角α和β、测头在自身坐标系下三个方向的空间坐标的长度向量读数δ、自准直光管在两个方向的角度值φ、Ψ,假设垂直于自准直光 管的光路作一平面，其中Φ、Ψ方向分别为该平面内的水平方向与铅直方向；对测量信号进行调理，含模数转换后进行存储；根据所建立的数学模型和由标定得到的测量机的各个参数和误差值进行误差补偿，获得所测点云各个点的坐标值，对所得到的点云的坐标值进行数据拟合和重构，获得被测曲面的形状； 将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学模型进行比较，合乎要求的通过验收，或允许其进入下一工序；对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序。
全文摘要
本发明属于机械量测量技术及仪器领域。为提供一种机械加工在线测量装置，能够检测到刀具磨损、机床振动、由于切削力引起的变形、机床运动误差等对加工产生的影响，本发明采取的技术方案是，单关节臂在线原位测量方法及装置，由关节臂、测头回转体、测头、z向运动部件、x向运动部件、误差补偿系统及数据处理与控制计算机、电动机组成；单关节臂在线原位测量方法，借助前述装置实现，按照测量任务的要求，根据所建立的数学模型，形成测量机的路径规划，完成测量。本发明主要应用于机械量测量。
文档编号G01B21/20GK102768028SQ20121018074
公开日2012年11月7日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者刘书桂, 张国雄, 李杏华, 裘祖荣 申请人:天津大学