一种立式非接触回转体高精度测量装置的制作方法

本实用新型涉及回转体精度检测技术领域，更具体的是涉及一种立式非接触回转体高精度测量装置。

背景技术：

随着机械加工精密化要求的不断提升，对回转体零件加工精度要求也越来越高，回转体工件是由一条母线绕回转轴旋转而得，其母线可以是直线段、圆弧或者曲线，表面形状可以是圆柱面和圆锥面等，国内外学者对回转体零件的直径及同轴度、圆度、圆跳动等相关参数测量进行了大量研究，然而，对于复杂回转体轮廓，如何实现其快速、准确测量一直是现有技术中亟需解决的技术难题。

目前，大部分回转体零件的测量方式都是采用测针接触方式，以日本三丰株式会社的CV3200/4500形状及轮廓测量系统为例：该机用测针与被测工件相接触，通过工件旋转以及与上下圆锥测针的组合，测针连续测出工件偏移理想尺寸的范围，并将测量数据传输到数据处理部，利用专用程序分析处理。然而，测针接触类测量方式仍然存在以下不足之处：1、检测效率低，旋转的待检测工件容易将测针弹开而导致检测失败；2、检测速度比较慢，大约在0.02mm-5mm/s，通用性差；3、测针与工件表面接触力度是有规定的，接触式测针容易对待检测工件表面造成划伤，影响工件质量；4、检测精度低，一般只能达到2.5μm-10μm。

针对现有技术中的不足，申请号为201220571759.1的专利公开了一种五轴系统回转体测量仪，其在固定桥式坐标测量机的基础上配合高精度转台形成θXZ三轴结构，与Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组构成五轴系统，通过Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组带动CCD视觉传感器和照明光源的移动完成视觉测量，该技术方案虽然提高了控制系统的控制精度，避免旋转的待检测工件容易将测针弹开而导致检测失败的问题，然而，实施该技术方案仍然存在以下缺点：1、视觉测量精度不高，采用视觉测量方法无法保证对一些精密器件的测量精度要求；2、通过在固定桥式坐标测量机的基础上配合高精度转台形成θXZ三轴结构，其与Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组构成五轴系统，线型模组驱动的灵活度较低，且驱动传感器转动的结构复杂，通用性差。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种立式非接触回转体高精度测量装置，可利用构成的七轴运动系统驱动传感器移动或转动，实现对复杂回转体轮廓进行快速、准确的测量。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种立式非接触回转体高精度测量装置，包括基座和配合设置在基座上的夹紧机构，所述基座上还设有XYZ三轴运动组件和非接触探头，所述XYZ三轴运动组件包括设置在基座上的Y轴直线导轨、X轴直线导轨、Z轴直线导轨以及驱动非接触探头分别沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动的驱动组件，所述非接触探头与XYZ三轴运动组件之间设有驱动非接触探头绕X轴回转和绕Z轴回转的转动组件，且所述转动组件与XYZ三轴运动组件连接，所述转动组件通过驱动器与所述非接触探头连接。

本实用新型基础方案的工作原理为：采用上述结构，在测量转动的回转体轮廓的时候，XYZ三轴运动组件可驱动非接触探头分别沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动，以及在非接触探头与XYZ三轴运动组件之间还设有驱动非接触探头绕X轴做180°往复回转运动和绕Z轴做180°往复回转运动的转动组件，且转动组件通过驱动器与非接触探头本体连接，加上设置在夹紧机构上的回转体受到夹紧机构上驱动器的作用可在径向上转动，构成了七轴回转体检测系统，可精确测量外形复杂的回转体轮廓，测量可达到0.1μm-0.5μm，并可以快速地提取物体的边界轮廓获得其特征信息，无须增加附件或其它仪器；进一步地，设置的非接触探头在测量时无需与待测回转体表面相接触，避免现有技术中旋转的待检测工件容易将测针弹开而导致检测失败或接触式测针容易对待检测工件表面造成划伤而影响工件质量的问题。

此外，非接触探头可采用非接触位移传感器，具体可采用光谱共焦传感器，利用发射的一束白光经过棱镜，生成沿Z轴连续的单色光，其中一个特定波长的单色光聚焦在物体表面，这束单色光通过针孔滤波光谱仪发射回光学系统，通过处理器分析其单色光的颜色便可精确计算物体位置，可以测量金属、玻璃、陶瓷以及半导体等类型材料的复杂回转体且符合ISO25178标准，适宜恶劣环境。

进一步地，所述转动组件包括固定壳体、转动壳体，在固定壳体内沿X轴方向设置有第一转轴和第二转轴，在转动壳体内沿Z轴方向设置有第三转轴；固定壳体上设置有第一驱动电机和第二驱动电机，第一驱动电机通过第一转轴带动非接触探头绕X轴回转，第二驱动电机通过第二转轴和第三转轴带动非接触探头绕Z轴回转。通过第一驱动电机驱动第一转轴转动而带动转动壳体与设置在转动壳体上的非接触探头绕X轴做180°往复回转运动，通过第二驱动电机驱动第二转轴和第三转轴而带动非接触探头绕Z轴做180°往复回转运动，转动组件体积小并实现精确转动，且设置在固定壳体、转动壳体内的驱动部件不容易受到外界环境的干扰。

进一步地，所述第一转轴一端穿设在所述固定壳体内并与所述第一驱动电机的输出轴通过变向机构A传动，第一转轴的另一端与所述转动壳体固定连接，所述非接触探头设置在所述转动壳体上。将第一驱动电机输出轴的竖直转动通过变向机构A转换为第一转轴的水平转动，从而驱动转动壳体与设置在转动壳体上的非接触探头绕X轴做180°往复回转运动，变向机构A优选为锥齿轮，转动平稳，结构连接稳定可靠。

进一步地，所述第二转轴套设在第一转轴内，且所述第二转轴一端穿设在所述固定壳体内并与所述第二驱动电机的输出轴通过变向机构B传动，第二转轴的另一端与第三转轴通过变向机构C传动，所述非接触探头与第三转轴连接。将第二驱动电机输出轴的竖直转动通过变向机构B转换为第二转轴的水平转动，再通过变向机构C转换为第三转轴以及与第三转轴连接的非接触探头绕Z轴做180°往复回转运动。变向机构B和变向机构C优选为锥齿轮，传动稳定，且通过转动方向的改变实现非接触探头的多轴运动，增加非接触探头的转动自由度，可一次性完成大部分零件外形所需测量参数的测量，无须增加附件或其它仪器，可精确测量外形复杂的回转体轮廓。

进一步地，所述第三转轴的两端分别设有转动翼板，两个所述转动翼板间设有用于安装所述非接触探头的连接板。便于安装非接触探头，且实现非接触探头的灵活转动。

进一步地，所述非接触探头为非接触位移传感器，且非接触探头通过电路或光路与处理器连接；具体地，所述非接触位移传感器可为电涡流传感器、电容传感器或光谱共焦传感器。可检测完成多个参数的测量，并通过处理器分析，提高控制系统的控制精度和对复杂回转体的检测精度。

进一步地，所述驱动组件包括X轴向驱动组件、Y轴向驱动组件和Z轴向驱动组件，所述Y轴向驱动组件包括与Y轴直线导轨平行设置的丝杠和驱动丝杠转动的Y轴向驱动电机，所述丝杠上连接有用于安装X轴直线导轨和Z轴直线导轨的连接器，所述连接器套设在Y轴直线导轨上并与丝杠螺纹连接。在基座上设有用于安装丝杠的转动安装座，丝杠套设在转动安装座内并随着Y轴向驱动电机转动，通过Y轴向驱动电机驱动丝杠转动而带动用于安装X轴直线导轨和Z轴直线导轨的连接器沿着Y轴方向自由移动，结构简单，方便实用。

进一步地，所述X轴向驱动组件包括动力传动机构、X轴向驱动电机以及与X轴直线导轨连接的推进机构，X轴向驱动电机通过动力传动机构和推进机构驱动X轴直线导轨沿X轴方向自由移动。具体地，推进机构优选为与X轴直线导轨平行设置的螺杆和螺套，动力传动机构优选为齿形带，螺套与X轴直线导轨连接，X轴向驱动电机通过齿形带驱动螺杆转动而带动X轴直线导轨沿X轴方向自由移动；齿形带传动平稳，机械机构稳定，可将X轴向驱动电机设置在远离X轴直线导轨处，避免影响X轴直线导轨的自由移动。

进一步地，所述Z轴向驱动组件为直线电机，所述转动组件与直线电机固定连接。直线电机结构紧凑、功率损耗小、快移速度高，转动组件可通过直线电机的直接驱动以实现从高速到低速等不同范围的高精度位置定位控制，适用于转动组件的结构特点。

如上所述，本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型中设置的XYZ三轴运动组件可驱动非接触探头分别沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动，且在非接触探头与XYZ三轴运动组件之间还设有驱动非接触探头绕X轴做180°往复回转运动和绕Z轴做180°往复回转运动的转动组件，以及非接触探头的端部设有驱动非接触探头自身转动的微型步进电机，加上设置在夹紧机构上的回转体受到夹紧机构驱动器的作用可在径向上转动，从而可构成七轴回转体检测系统，实现非接触探头的灵活转动，可一次性完成大部分零件外形所需测量参数的测量，无须增加附件或其它仪器，可精确测量外形复杂的回转体轮廓，具体测量可达到0.1μm-0.5μm。

2、本实用新型中非接触探头采用非接触位移传感器，具体采用光谱共焦传感器，或采用光谱共焦传感器与电涡流传感器或电容传感器的组合，可以快速地提取物体的边界轮廓获得其特征信息，通过处理器分析其单色光的颜色便可精确计算物体位置，可以精确测量几乎所有类型材料且外形结构复杂的零件，适宜恶劣环境。

3、本实用新型在非接触探头的轴向和径向上均设有出光口。通过径向出光口可直接对内孔进行检测，与现有技术中能测内孔的内窥镜相比，不需要再将影像转换为数据，可简化数据处理程序，提高检测精度。

4、本实用新型中转动组件利用第一驱动电机输出轴的竖直转动通过变向机构A转换为第一转轴的水平转动，从而驱动转动壳体与设置在转动壳体上的非接触探头绕X轴做180°往复回转运动，且利用第二驱动电机输出轴的竖直转动通过变向机构B转换为第二转轴的水平转动，再通过变向机构C转换为第三转轴以及与第三转轴连接的非接触探头绕Z轴做180°往复回转运动。通过转动方向的改变实现非接触探头的多轴运动，增加非接触探头的转动自由度，可一次性完成大部分零件外形所需测量参数的测量，无须增加附件或其它仪器，可精确测量外形复杂的回转体轮廓的同时减轻企业设备支出的负担。

5、本实用新型中转动组件体积小并实现精确转动，且设置在固定壳体、转动壳体内的驱动部件结构紧凑且不容易受到外界环境的干扰，可避免人为因素对检测精度的影响，方便灵活的同时稳定性强。

附图说明

图1为本实用新型一种立式非接触回转体高精度测量装置的立体示意图；

图2为图1中的转动组件的剖视图；

图3为图1以X轴和Y轴为主轴所在平面的示意图；

图4为图1以Y轴与Z轴为主轴所在平面的示意图；

图5为图1以X轴与Z轴为主轴所在平面的示意图；

图6为图1以Y轴与Z轴为主轴所在平面的剖视图；

图7图1中X轴向驱动组件的局部剖视图。

附图标记：01-基座、02-夹紧机构、03-非接触探头、04-Y轴直线导轨、05-X轴直线导轨、06-Z轴直线导轨、07-转动组件、071-固定壳体、072-转动壳体、073-第一转轴、074-第二转轴、075-第三转轴、076-第一驱动电机、077-第二驱动电机、078-转动翼板、079-连接板、08-Y轴向驱动组件、081-丝杠、082-Y轴向驱动电机、09-X轴向驱动组件、091-齿形带、092-X轴向驱动电机、093-螺杆、094-螺套、10-变向机构A、101-变向机构B、102-变向机构C、11-直线电机、12-微型步进电机、13-连接器、14-出光口、15-转动安装座。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本实用新型，下面结合附图和以下实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1

请参考图1至图3所示，本实施例提供一种立式非接触回转体高精度测量装置，包括基座01和配合设置在基座01上的夹紧机构02，具体可采用高精度三角卡盘，三角卡盘的底部设有驱动沿径向转动的伺服电机，三角卡盘可对待测回转体均匀施加三个方向的加持力而使得待测回转体转动稳定；基座01上还设有XYZ三轴运动组件和非接触探头03，非接触探头03正对于夹紧机构02的上方并与XYZ三轴运动组件连接；具体地，XYZ三轴运动组件包括垂直固定设置在基座01上的Y轴直线导轨04、X轴直线导轨05、Z轴直线导轨06以及驱动非接触探头03分别沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动的驱动组件，X轴直线导轨05和Z轴直线导轨06均与Y轴直线导轨04垂直，且X轴直线导轨05和Z轴直线导轨06相互垂直，非接触探头03滑动连接在Z轴直线导轨06上，从而非接触探头03可在驱动组件的作用下沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动。

具体地，驱动组件包括X轴向驱动组件09、Y轴向驱动组件08和Z轴向驱动组件，可分别通过伺服电机驱动非接触探头03沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动。

进一步地，非接触探头03与XYZ三轴运动组件之间设有驱动非接触探头03绕X轴回转和绕Z轴回转的转动组件07，非接触探头03安装在转动组件07上，且转动组件07与XYZ三轴运动组件连接；具体地，转动组件07包括固定壳体071、转动壳体072和在机壳内沿X轴方向设置的第一转轴073和第二转轴074，以及在转动壳体072内沿Z轴方向设置的第三转轴075；转动组件07还包括分别沿第一转轴073和第二转轴074的径向设置的第一驱动电机076和第二驱动电机077，第一转轴073右端穿过固定壳体左侧并与第一驱动电机076的输出轴通过变向机构A10传动，变向机构A10具体可采用涡轮蜗杆机构或锥齿轮实现第一转轴073和沿第一转轴073径向设置的第一驱动电机076之间的传动，第一转轴073左端与转动壳体072固定连接；如此将第一驱动电机076输出轴的竖直转动通过变向机构A10转换为第一转轴073的水平转动，从而驱动转动壳体072与设置在转动壳体072上的非接触探头03绕X轴做180°往复回转运动，转动平稳，结构连接稳定可靠。

进一步地，第二转轴074套设在第一转轴073内，第二转轴074右端穿过固定壳体左侧并与第二驱动电机077的输出轴通过变向机构B101连接，第二转轴074的左端与第三转轴075通过变向齿轮C连接，具体变向齿轮B和变向齿轮C均可采用锥齿轮或涡轮蜗杆机构，非接触探头03与第三转轴075连接；如此将第二驱动电机077输出轴的竖直转动通过变向机构B101转换为第二转轴074的水平转动，再通过变向机构C102转换为第三转轴075以及与第三转轴075连接的非接触探头03绕Z轴做180°往复回转运动。其中变向机构B101和变向机构C102优选为锥齿轮，其相比涡轮蜗杆结构具有体积小设计紧凑，使得传动更加稳定，且通过转动方向的改变实现非接触探头03的多轴运动，增加非接触探头03的转动自由度，可一次性完成大部分零件外形所需测量参数的测量，无须增加附件或其它仪器，可精确测量外形复杂的回转体轮廓，具体测量可达到0.1μm-0.5μm；转动组件07体积小并实现精确转动，且设置在固定壳体071、转动壳体072内的驱动部件不容易受到外界环境的干扰。

此外，转动壳体072沿第三转轴075的两端分别通过螺栓固定连接有转动翼板078，且两个转动翼板078间设有用于安装非接触探头03的连接板079，便于安装非接触探头03，且实现非接触探头03的灵活转动；且转动组件07通过驱动器与非接触探头03连接，具体地，非接触探头03延伸至连接板079内侧的一端设置有与连接板079固定连接的微型步进电机12微型步进电机1212，非接触探头03通过联轴器与微型步进电机12的输出轴连接。通过微型步进电机12驱动非接触探头03自身转动，构成了七轴回转体检测系统，可进一步精确灵活地测量外形复杂的回转体轮廓。

进一步地，非接触探头03为非接触位移传感器，且非接触探头03通过电路与处理器电连接；非接触位移传感器可为电涡流传感器、电容传感器或光谱共焦传感器，具体可采用光谱共焦传感器，利用发射的一束白光经过棱镜，生成沿Z轴连续的单色光，其中一个特定波长的单色光聚焦在物体表面，这束单色光通过针孔滤波光谱仪发射回光学系统，通过处理器分析其单色光的颜色便可精确计算物体位置，可以测量金属、玻璃、陶瓷以及半导体等类型材料的复杂回转体且符合ISO25178标准，适宜恶劣环境并可检测完成多个参数的测量，并通过处理器分析，提高控制系统的控制精度和对复杂回转体的检测精度。

此外，沿非接触探头03的轴向上和径向上均设有出光口14。通过径向出光口14可直接对内孔进行检测，与现有技术中能测内孔的内窥镜相比，不需要再将影像转换为数据，可简化数据处理程序。

本例中，采用上述结构，XYZ三轴运动组件可驱动非接触探头03分别沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向自由移动，且在非接触探头03与XYZ三轴运动组件之间还设有驱动非接触探头03绕X轴做180°往复回转运动和绕Z轴做180°往复回转运动的转动组件07，以及非接触探头03的端部设有驱动非接触探头03自身转动的微型步进电机12，加上设置在夹紧机构02上的回转体受到夹紧机构02驱动器的作用可在径向上转动，从而可构成七轴回转体检测系统，实现非接触探头03的灵活转动，可一次性完成大部分零件外形所需测量参数的测量，无须增加附件或其它仪器，可快速、精确的测量外形复杂的回转体轮廓的同时减轻企业设备支出的负担。

此外，非接触探头03采用非接触位移传感器，具体采用光谱共焦传感器，或采用光谱共焦传感器与电涡流传感器或电容传感器的组合，可以快速地提取物体的边界轮廓获得其特征信息，通过处理器分析其单色光的颜色便可精确计算物体位置，可以精确测量金属、玻璃、陶瓷以及半导体等类型材料且外形结构复杂的零件，适宜恶劣环境。

实施例2

请参考图4和图6所示，实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：Y轴向驱动组件08包括与Y轴直线导轨04平行设置的丝杠081和驱动丝杠081转动的Y轴向驱动电机082，丝杠081上连接有用于安装X轴直线导轨05和Z轴直线导轨06的连接器13，连接器13套设在Y轴直线导轨04上并与丝杠081螺纹连接。在基座01上设有用于安装丝杠081的转动安装座15，丝杠081套设在转动安装座15内并随着Y轴向驱动电机082转动，通过Y轴向驱动电机082驱动丝杠081转动而带动用于安装X轴直线导轨05和Z轴直线导轨06的连接器13沿着Y轴方向自由移动，结构简单，方便实用。

实施例3

请参考图5和图7所示，实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：X轴向驱动组件09包括动力传动机构、X轴向驱动电机092以及与X轴直线导轨05连接的推进机构，X轴向驱动电机092通过动力传动机构和推进机构驱动X轴直线导轨05沿X轴方向自由移动。具体地，推进机构优选为与X轴直线导轨05平行设置的螺杆093和螺套094，动力传动机构优选为齿形带091，螺套094与X轴直线导轨05连接，X轴向驱动电机092通过齿形带091驱动螺杆093转动而带动X轴直线导轨05沿X轴方向自由移动；齿形带091传动平稳，机械机构稳定，可将X轴向驱动电机092设置在远离X轴直线导轨05处，避免影响X轴直线导轨05的自由移动。

此外，Z轴向驱动组件为直线电机11，转动组件07与直线电机11固定连接。直线电机11结构紧凑、功率损耗小、快移速度高，转动组件07可通过直线电机11的直接驱动以实现从高速到低速等不同范围的高精度位置定位控制，适用于转动组件07的结构特点。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。