一种高速高精度非接触式三坐标测量机及其测量方法与流程

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种高速高精度非接触式三坐标测量机及其测量方法。

背景技术：

三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高的高精度测量系统，在机械、电子等领域得到广泛应用。三坐标测量机在工作过程中将被测工件的各种几何元素的测量转换为几何元素上点集坐标的测量。在测得这些点的坐标位置后，再由软件按照一定的算法和评定准则算出被测几何元素的尺寸、形状、相对位置等。目前，根据三坐标测量机测头的形式，可将三坐标测量机分为接触式三坐标测量机和非接触式三坐标测量机。非接触式三坐标测量机目前主要有激光点测量和线激光扫描测量两种形式。对于接触式三坐标测量机和非接触式激光点测量三坐标测量机而言，测量过程需要频繁的加速、减速，造成了测量速度较慢。非接触式的线激光扫描测量在测量时加减速过程较少，可以大幅度的提高测量速度，但是由于线激光测量头的自身误差大于3μm，加上测量机本身的运动误差，系统的测量误差一般不小于5μm，使得其测量精度大幅度下降。现代的精密加工以及科学研究往往追求微米级的精度，在生产中一般要求测量不确定度小于制造公差的1/3～1/5。因此无论对于测量精度相对较高的接触式测量，还是非接触测量，均无法完成高精度的测量工作。

目前在三坐标测量和非接触式测量方面已经做了大量工作，如专利“一种基于激光测距的非接触式测量装置(201520858271.0)”和专利“一种非接触式三坐标测量机(201620175137.5)”，都采用激光测量装置，相对传统的接触式测量，测量精度有所提高，但是都采用传统的三轴移动的方式，导致测量速度低下。专利“一种线激光扫描三维轮廓测量方法及装置(201410087213.2)”中，一字线激光在磁致伸缩微位移控制器的控制下摆动，形成被检测物体的扫描面，但是该装置受相机景深和相机成像平面的限制，导致量程小。同时无法精确标定激光器与相机之间的关系，因此测定的精度并不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种高速高精度非接触式三坐标测量机及其测量方法，改变了传统三坐标测量机的运动形式，将测量头一个方向的直线运动改变为被测工件的旋转运动，克服了传统三坐标测量机因频繁加减速而造成的测量速度低下的问题，同时测量头采用高精度的激光位移传感器，可大幅度提高三坐标的测量的精度，满足现代生产制造中对测量精度的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种高速高精度非接触式三坐标测量机，包括：

机床；

工作台，装接在机床；

主轴，装接在机床且穿出工作台；

载物台，设在工作台上并装接在主轴，载物台可通过主轴带动旋转且二者回转轴线重合；该载物台包括圆盘形的载物台主体，该载物台主体上设有环形滑槽，该环形滑槽内滑动装接有两个可被固定的平衡块；

工件，装接在载物台且可通过载物台带动旋转；

框架，装接在工作台；

第一方向进给机构，装接在框架；

第二方向进给机构，装接在第一方向进给机构；

激光位移传感器，装接在第二方向进给机构，其测量方向与工件相对；该激光位移传感器的测量精度优于10nm，最大采样频率不低于492kHz；

在线动平衡仪，与框架和载物台相连；

用于控制第一方向进给机构和第二方向进给机构的控制器，与第一方向进给机构和第二方向进给机构相连接；

通过主轴带动工件旋转，激光位移传感器通过第一方向进给机构对工件表面进行扫描并采集工件表面的点的位置数据，处理得到工件的三维形貌。

一实施例中：所述在线动平衡仪包括相互连接的振动传感器、转速传感器和动平衡仪主机，该振动传感器与框架相连，该转速传感器装接在工作台且与载物台相连。

一实施例中：所述平衡块上设有紧定螺钉，通过该紧定螺钉将平衡块固定在环形滑槽内。

一实施例中：所述第一方向进给机构的定位精度优于10nm。

一实施例中：所述第一方向进给机构为直线电机；所述第二方向进给机构为直线电机。

一实施例中：所述第一方向进给机构的进给轴线对主轴回转轴线的垂直度误差不大于1μm/200mm。

一实施例中：所述第一方向与第二方向相互垂直。

一实施例中：所述机床由天然大理石制成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种利用上述的高速高精度非接触式三坐标测量机的测量方法，包括：

1)工件装接在载物台，工件的质心与载物台和主轴的回转轴线重合；

2)主轴带动工件旋转，利用在线动平衡仪对主轴、载物台和工件进行整体在线动平衡，使得旋转运动不平衡引起的振动不大于10nm；

3)通过第二方向进给机构调整激光位移传感器相对工件的位置，确定测量起始点，并使工件位于激光位移传感器的量程范围内；

4)启动主轴带动工件旋转，通过第一方向进给机构带动激光位移传感器由测量起始点出发，由工件外围沿载物台径向向工件进给至工件回转中心位置，进给过程中对工件表面进行螺旋式扫描并采集工件上的点的位置数据；

5)将采集到的工件上的点的位置数据进行处理，得到工件上的点的坐标数据和分布规律，从而得到工件的三维形貌。

一实施例中：所述步骤1)中，所述测量起始点位于工件最大回转半径外3～5mm。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明的高速高精度非接触式三坐标测量机及其测量方法，改变了传统三坐标测量机的运动形式，将测量头一个方向的直线运动改变为被测工件的旋转运动，克服了传统三坐标测量机因频繁加减速而造成的测量速度低下的问题，同时测量头采用高精度的激光位移传感器，可大幅度提高三坐标的测量的精度，满足现代生产制造中对测量精度的需求。由于采用了非接触式的测量方式，还可以对材质较软、表面易划伤等不宜采用接触式测量方式的工件进行测量。

2.本发明通过提高被测工件的旋转速度，结合精度优于10nm激光位移感器，使得采样频率足够高，可以高达400KHz。而传统的接触式的测量方式，由于存在机械接触，采样频率十分低，故测量速度十分慢。因此本发明相对于常规接触式测量方法而言测量精度可以提高一个数量级。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的高速高精度非接触式三坐标测量机结构示意图。

图2为本发明的高速高精度非接触式三坐标测量机俯视示意图。

图3为本发明的载物台结构示意图。

图4为本发明的测量原理示意图。

图5为本发明实施例中得到的工件的3D数字模型示意图。

附图标记：机床1，工作台2，主轴3，框架4，X向直线电机5，Z向直线电机6，激光位移传感器7，载物台8，载物台主体8a，平衡块8b，紧定螺钉8c；工件9。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

请查阅图1和图2，一种高速高精度非接触式三坐标测量机，包括：

机床1，由天然大理石制成，具有较小的热变形，能够保证测量机的测量精度；

工作台2，装接在机床1上；

主轴3，竖直布置地装接在机床1且其轴头向上穿出工作台2；

载物台8，设在工作台2上并装接在主轴3轴头，载物台8可通过主轴3带动旋转且二者回转轴线重合；该载物台8包括圆盘形的载物台主体8a，该载物台主体8a上设有环形滑槽，该环形滑槽内滑动装接有两个平衡块8b；该两个平衡块8b上均设有紧定螺钉8c，通过紧定螺钉8c可将平衡块8b固定在环形滑槽内，如图3；

工件9，装夹在载物台8且可通过载物台8带动旋转；

框架4，装接在工作台2上；

第一方向进给机构，为高精度的X向直线电机5，水平地装接在框架4，其定位精度优于10nm，同时进给速度范围应尽量大；本实施例之中，X向为水平方向，该X向直线电机5的进给轴线对主轴3回转轴线的垂直度误差不大于1μm/200mm；

第二方向进给机构，为Z向直线电机6，装接在X向直线电机5的动子上；本实施例之中，Z向为竖直的上下方向；

激光位移传感器(如基恩士LK-H008型激光位移传感器)7，装接在Z向直线电机6的动子上，其测量方向竖直向下与工件9相对；该激光位移传感器7的测量精度优于10nm，最大采样频率不低于492kHz(该最大采样频率为激光位移传感器的设备参数，为激光位移传感器采样频率所能达到的最大值，例如激光位移传感器的最大采样频率为492kHz，则表明该激光位移传感器的采样频率为0～492kHz)；

在线动平衡仪，包括相互连接的振动传感器、转速传感器和动平衡仪主机，该振动传感器吸附在框架4，该转速传感器装接在工作台5且与载物台8相连；振动传感器和转速传感器可分别将框架4振动情况和载物台8转速数据传递至动平衡仪主机；

控制器，与X向直线电机5和Z向直线电机6相连接，能够控制X向直线电机5和Z向直线电机6的运动。

本发明的高速高精度非接触式三坐标测量机的测量方法如下：

1)工件9装夹在载物台8，使工件9的质心与载物台8和主轴3的回转轴线尽可能重合；旋松载物台8上两个紧定螺钉8c，使得两个平衡块8b可在环形滑槽内自由滑动；

2)主轴3带动工件9旋转，利用在线动平衡仪对主轴3、载物台8和工件9进行整体在线动平衡，即动平衡仪主机根据检测到的振动和转速信息给出调整提示，通过调整和锁紧载物台8上两个平衡块8b在环形滑槽内的位置来进行在线动平衡，通过调节使得旋转运动不平衡引起的振动不大于10nm，达到需要的平衡精度等级；

3)通过控制器调控Z向直线电机6调整激光位移传感器7相对工件9的高度，确定测量起始点，并使工件9位于激光位移传感器7的量程范围内；

4)启动主轴3带动工件9以设定的转速旋转，通过控制器调控X向直线电机5带动激光位移传感器7由测量起始点出发，由工件9外围以设定的进给速度沿载物台8径向向工件9进给，X向直线电机5的直线运动与工件9的旋转运动相结合，使得激光位移传感器7进给过程中对工件9表面进行螺旋式扫描并采集工件上的点的位置数据；当扫描至工件9回转中心位置时，X向直线电机5停止运动，激光位移传感器7停止扫描，测量结束；

5)将采集到的工件9上的点的位置数据导入matlab数据处理软件，经过处理得到工件9上的点的坐标数据和分布规律，根据该些信息可绘制出工件9的三维形貌，得到工件9的3D数字模型。

6)通过软件将工件9的3D数字模型与工件9的设计CAD模型进行比对，可对各个几何特征的尺寸误差，形状误差以及各个特征间的位置误差等进行评价。

需要注意的是，所述测量起始点应位于工件9最大回转半径外3～5mm为佳，以保证激光位移传感器7从测量起始点开始扫描至工件9之前就已加速到设定的进给速度，保证扫描过程始终按照设定的进给速度进行，同时又不至于太远。

下面通过具体例子说明：

1)将直径为75mm，上表面为异性曲面的工件通过机械装夹的方式固定在载物台，使工件的质心与载物台和主轴的回转轴线尽可能重合；旋松载物台上两个紧定螺钉，使得两个平衡块可在环形滑槽内自由滑动；

2)主轴带动工件旋转，利用在线动平衡仪对主轴、载物台和工件进行整体在线动平衡，即动平衡仪主机根据检测到的振动和转速信息给出调整提示，通过调整和锁紧载物台上两个平衡块在环形滑槽内的位置来进行在线动平衡，通过调节使得转速在0～200rpm范围内时，旋转运动不平衡引起的框架振动幅值不大于10nm；

3)通过Z向直线电机调整激光位移传感器相对工件的高度，确定测量起始点，并使工件位于激光位移传感器的量程范围内；本实施例之中，测量起始点相对于工件回转轴线的回转半径为41mm，保证可以测得工件的全貌，且激光位移传感器从测量起始点开始扫描至工件之前就已加速到设定的进给速度；

4)启动主轴带动工件以转速200rpm旋转，设定X向直线电机的进给速度为f＝0.03mm/s，激光位移传感器的采样频率为f_s＝100KHz，通过X向直线电机带动激光位移传感器由测量起始点出发，由工件外围以进给速度沿载物台径向向工件进给，当X向直线电机加速至设定进给速度后，激光位移传感器开始以设定采样频率采集数据，控制系统给出激光位移传感器采集第一个点的位置数据时测量点与回转中心的距离即初始测量半径r＝40mm；进给过程中，X向直线电机的直线运动与工件的旋转运动相结合，使得激光位移传感器进给过程中对工件表面进行螺旋式扫描并采集工件上的点的位置数据；当扫描至工件回转中心位置时，X向直线电机停止运动，激光位移传感器停止扫描，测量结束；

5)由步骤4)可知，激光位移传感器测量点进行螺旋式扫描的的扫描轨迹满足极坐标方程ρ＝40-0.0045θ，其中θ为圆盘形载物台的转角(表示圆盘形载物台在某一时刻相对于激光位移传感器采集第一个点时圆盘转过的角度)，如图4，且每转过π/15000弧度激光位移传感器采一个点。根据上述规律，将采集到的工件上的点的位置数据导入matlab数据处理软件，经过处理得到工件上的点的坐标数据和分布规律，根据该些信息可绘制出工件的三维形貌，得到工件的3D数字模型，如图5。

6)通过软件将工件的3D数字模型与工件的设计CAD模型进行比对，可对各个几何特征的尺寸误差，形状误差以及各个特征间的位置误差等进行评价。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。