CN113251907A - 一种五自由度精密测量装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及零件测量，更具体的说是一种五自由度精密测量装置及其控制方法。所述控制方法使用控制计算机和网线LAN；利用光栅尺读数头作为位置反馈元件，UMAC控制器将各个光栅尺读数头测得各轴的位移数据与LVDT传感器位移数据相叠加，当LVDT传感器的测头与待测零件的待测表面接触时，LVDT传感器发生位移变化后，UMAC控制器获取和记录LVDT传感器的位移数据并生成位移信号，所述移信号以±10V模拟电压的形式并通过信号放大器连接到模拟电压数据采集模块上，所述的控制计算机通过网线LAN与UMAC控制器双向连接实现总体控制及测量结果显示，可实现对精密复杂微小零件形位误差的测量。

Description

一种五自由度精密测量装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及零件测量，更具体的说是一种五自由度精密测量装置及其控制方法。
背景技术
无论采用何种加工技术，要获得合格的复杂微小精密零件，都需要先进的测量装置及方法。复杂微小型零件一般是指尺寸大小为0.1mm至10mm，特征尺寸大小0.01mm至1mm，且具有复杂形貌特征、结构形态各异，复杂多变。虽然现有的坐标测量机因其强大的测量功能而应用广泛，但是坐标测量机仍然具有很多局限性：1为了使坐标测量机能够进行自动化的测量，需要针对不同的零件编制相应的程序；2测量多大的物体就要制作多大的测量机；3传统坐标测量机不能用于现场测量，需要将待测零件从其他部位拆卸下来安装到坐标。所以现有三坐标测量装置难以满足其高精度、高效率的形位误差测量要求。
鉴于复杂微小零件具有多种形状结构，灵活多变的几何特征，基于现有的技术很难轻松的实现对其的精密测量。因此，有必要开发一种可以对复杂微小零件进行形位误差测量的五自由度测量装置及其控制技术。
发明内容
本发明提供一种五自由度精密测量装置及其控制方法，目的是可以对复杂微小零件进行形位误差测量
上述目的通过以下技术方案来实现：
一种五自由度精密测量装置，包括LVDT传感器、B轴转台组件、X轴导轨组件、五自由度测量台基座、Z轴导轨组件、Y轴导轨组件、C轴转台组件、信号放大器、UMAC控制器、控制计算机和待测零件；所述的X轴导轨组件与Z轴导轨组件相互垂直固定在五自由度测量台基座上面；
所述的B轴转台组件通过X轴导轨组件驱动实现前后移动，所述的LVDT传感器固定于B轴转台组件上，LVDT传感器可以绕B轴转台组件的轴线转动；所述Y轴导轨组件固定于Z轴导轨组件上，Y轴导轨组件可以通过Z轴导轨组件的驱动实现左右移动；所述C轴转台组件固定于Y轴导轨组件，C轴转台组件可以通过Y轴导轨组件驱动实现上下运动，所述待测零件装夹于C轴转台组件上，待测零件能够通过C轴转台组件驱动绕C轴转台组件的轴线转动；
其中所述B轴转台组件、X轴导轨组件、Z轴导轨组件、Y轴导轨组件和C轴转台组件采用气浮原理实现驱动，其中所述B轴转台组件的轴线纵向垂直延伸，C轴转台组件的轴线水平的由左至右延伸；
所述X轴导轨组件、Z轴导轨组件和Y轴导轨组件所包括的转动部件上均安装有直线光栅尺；所述B轴转台组件和C轴转台组件上均安装有圆光栅尺；所述直线光栅尺和圆光栅尺均包括光栅尺读数头；
所述UMAC控制器包括模拟电压数据采集模块和轴运动控制卡。
上述五自由度精密测量装置的控制方法，使用控制计算机和网线LAN；所述光栅尺读数头作为位置反馈元件，UMAC控制器将各个光栅尺读数头测得各轴的位移数据与LVDT传感器位移数据相叠加，当LVDT传感器的测头与待测零件的待测表面接触时，LVDT传感器发生位移变化后，UMAC控制器获取和记录LVDT传感器的位移数据并生成位移信号，所述移信号以±10V模拟电压的形式并通过信号放大器连接到模拟电压数据采集模块上，所述的控制计算机通过与UMAC控制器双向连接实现总体控制及测量结果显示。
本发明一种五自由度精密测量装置及其控制方法的有益效果为：
本发明通过气浮导轨与气浮转台作为精密导向部件，利用高精度的光栅尺读数头为位置反馈元件，并结合LVDT传感器实现待测零件的待测表面上点的空间坐标测量，可实现对精密复杂微小零件形位误差的测量，以及毫米尺度零件及装配体的尺寸及形状精度的精密测量，能够实现对微球、微圆柱、ICF靶装配参数的尺寸和形状精度等几何量的测量，此外，本发明具备操作简单、控制稳定、集成度较高等特点。
附图说明
图1以立体图示意性显示了整体结构图；
图2以立体图示意性显示了X轴导轨组件；
图3以立体图示意性显示了B轴转台组件与LVDT传感器的安装；
图4以立体图示意性显示了Z轴导轨组件、Y轴导轨组件、C轴转台组件和待测零件的安装；
图5是所述测量装置的控制部分原理图；
图6是所述测量装置的控制模式原理图。
图中：
LVDT传感器1、
B轴转台组件2、B轴电机驱动器2-1、B轴转台电机2-2、B轴转动部件2-3、B轴光栅尺读数头2-4、B轴组分盒2-5、
X轴导轨组件3、X轴电机驱动器3-1、X轴直线电机3-2、X轴移动部件3-3、X轴光栅尺读数头3-4、X轴组分盒3-5、
Z轴导轨组件5、Z轴电机驱动器5-1、Z轴直线电机5-2、Z轴移动部件5-3、Z轴光栅尺读数头5-4、Z轴组分盒5-5、
Y轴导轨组件6、Y轴电机驱动器6-1、Y轴直线电机6-2、Y轴移动部件6-3、Y轴光栅尺读数头6-4、Y轴组分盒6-5、
C轴转台组件7、C轴电机驱动器7-1、C轴转台电机7-2、C轴转动部件7-3、C轴光栅尺读数头7-4、C轴组分盒7-5、
信号放大器8、UMAC控制器9、模拟电压数据采集模块9-1、轴运动控制卡9-2、控制计算机10、待测零件11。
具体实施方式
一种五自由度精密测量装置，包括：LVDT传感器1、B轴转台组件2、X轴导轨组件3、五自由度测量台基座4、Z轴导轨组件5、Y轴导轨组件6、C轴转台组件7、信号放大器8、UMAC控制器9、控制计算机10、待测零件11。
所述B轴转台组件2包括B轴电机驱动器2-1、B轴转台电机2-2、B轴转动部件2-3、安装在B轴转动部件2-3上的圆光栅尺和B轴组分盒2-5，该圆光栅尺包括的B轴光栅尺读数头2-4；其中B轴转台组件中的转台采用气浮转台，那么转动部件2-3则是该气浮转台的气浮块。
所述X轴导轨组件3包括X轴电机驱动器3-1、X轴直线电机3-2、X轴移动部件3-3、安装在X轴移动部件3-3上的直线光栅尺、X轴组分盒3-5，该直线光栅尺包括的X轴光栅尺读数头3-4；其中B轴转台组件中的导轨采用气浮导轨，那么X轴移动部件3-3则是该气浮导轨中的气浮块。
其中所述的B轴转台组件2固定在X轴移动部件3-3上面，B轴转台组件2随着X轴移动部件3-3在X轴导轨组件3上的导轨前后移动，所述的LVDT传感器1固定于B轴转动部件2-3上面，LVDT传感器1可以随着B轴转动部件2-3绕水平面上由左至右的一个虚拟轴线转动。
所述Z轴导轨组件5包括Z轴电机驱动器5-1、Z轴直线电机5-2、Z轴移动部件5-3、安装在Z轴移动部件5-3上的直线光栅尺和Z轴组分盒5-5，该直线光栅尺包括Z轴光栅尺读数头5-4；其中Z轴导轨组件5中的导轨也采用气浮导轨，那么Z轴移动部件5-3则是该气浮导轨中的气浮块。
其中所述X轴导轨组件3与Z轴导轨组件5相互垂直固定在五自由度测量台基座4上面。
所述Y轴导轨组件6包括Y轴电机驱动器6-1、Y轴直线电机6-2、Y轴移动部件6-3、安装在Y轴移动部件6-3上的直线光栅尺和Y轴组分盒6-5，该直线光栅尺包括Y轴光栅尺读数头6-4；其中Y轴导轨组件6中的导轨也采用气浮导轨，那么Y轴移动部件6-3则是该气浮导轨中的气浮块。
其中所述Y轴导轨组件6固定在Z轴移动部件5-3上，Y轴导轨组件6随着Z轴移动部件5-3在Z轴导轨组件5上的导轨左右移动。
C轴转台组件7包括C轴电机驱动器7-1、C轴转台电机7-2、C轴转动部件7-3、安装在C轴转动部件7-3上的圆光栅尺和C轴组分盒7-5，该圆光栅尺包括C轴光栅尺读数头7-4，C轴转台组件7中的转台也采用气浮转台，那么轴转动部件7-3则是该气浮转台中的气浮块。
所述待测零件11采用液压夹紧装置装夹于C轴转动部件7-3上面；
所述UMAC控制器9包括模拟电压数据采集模块9-1和轴运动控制卡9-2；所述的轴运动控制卡9-2的控制信号输出端通过B轴电机驱动器2-1、X轴电机驱动器3-1、Z轴电机驱动器5-1、Y轴电机驱动器6-1、C轴电机驱动器7-1分别与B轴转台电机2-2、X轴直线电机3-2、Z轴直线电机5-2、Y轴直线电机6-2、C轴转台电机7-2控制信号接收端相连接；
所述B轴光栅尺读数头2-4、X轴光栅尺读数头3-4、Z轴光栅尺读数头5-4、Y轴光栅尺读数头6-4、C轴光栅尺读数头7-4的检测信号输出端分别通过B轴组分盒2-5、X轴组分盒3-5、Z轴组分盒5-5、Y轴组分盒6-5、C轴组分盒7-5与轴运动控制卡9-2的检测信号接收端相连接。那么全部圆所述光栅尺与直所述读数头生成的位移信号作为位置反馈经对应的组分盒形成A\B\Z脉冲信号，可以组成位置控制闭环。
当LVDT传感器1与待测零件11的待测表面接触时，LVDT传感器1发生位移变化，并生成位移信号，此位移信号以±10V模拟电压的形式并通过信号放大器8连接到模拟电压数据采集模块9-1上；所述的控制计算机10通过网线LAN与UMAC控制器9双向连接实现总体控制及测量结果显示；
当LVDT传感器与待测零件11的被测表面接触时，UMAC控制器9可以获取和记录LVDT传感器的位移数据。UMAC控制器9将各个所述读数头测得各位移数据与LVDT传感器位移数据相叠加，作为整个五自由度精密测量装置测量待测零件被测表面点空间坐标的测量结果。其中UMAC控制器9采用Delta Tau公司的UMacUniversal Motion and AutomationController运动控制器。
本发明中，B轴转台组件2、X轴导轨组件3、五自由度测量台基座4、Z轴导轨组件5、Y轴导轨组件6、C轴转台组件7等部件为精密导向部件，B轴光栅尺读数头2-4、X轴光栅尺读数头3-4、Z轴光栅尺读数头5-4、Y轴光栅尺读数头6-4、C轴光栅尺读数头7-4及其分别对应的光栅尺为位移检测元件，LVDT传感器的测头与待测零件11的相接触，UMAC控制器9记录各个光栅尺读数头的位移数据和LVDT传感器的位移数据，最终获得待测零件11的待测表面上各点的空间坐标结果。

Claims (9)

1.一种五自由度精密测量装置，包括：
微米级传感器和驱动所述测头转动的B轴转台组件(2)；以及
驱动所述B轴转台组件(2)在X轴方向上直线运动的X轴导轨组件(3)；以及
待测零件(11)和驱动所述待测零件(11)转动的C轴气浮转台组件(7)；以及
驱动所述C轴转台组件(7)纵向移动的Y轴导轨组件(6)；以及
驱动所述Y轴导轨组件(6)沿与B轴转台组件(2)运动方向垂直的Z轴导轨组件(5)；以及
用于X轴导轨组件(3)和Z轴导轨组件(5)安装的五自由度测量台基座(4)；
其中所述微米级传感器用于与待测零件(11)的表面接触进行测量。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述微米级传感器采用LVDT传感器(1)。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中所述X轴导轨组件(3)、Z轴导轨组件(5)和Y轴导轨组件(6)为气浮导轨组件，其中所述B轴转台组件(2)和C轴转台组件(7)为气浮转台组件。
4.根据权利要求2或3所述的测量装置，其中所述X轴导轨组件(3)、Z轴导轨组件(5)和Y轴导轨组件(6)均包括移动部件，所述B轴转台组件(2)和C轴转台组件(7)均包括转动部件；所述移动部件和转动部件均通过气浮原理实现运动。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中所述B轴转台组件(2)固接在X轴导轨组件(3)上的移动部件上，所述LVDT传感器(1)固接在B轴转台组件(2)上的转动部件上，所述Y轴导轨组件(6)固接在Z轴导轨组件(5)上的移动部件上，所述C轴转台组件(7)固定在Y轴导轨组件(6)上的移动部件上，所述待测零件(11)能够固定在C轴转台组件(7)上的转动部件上。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其中所述待测零件(11)采用液压夹紧的方式装夹C轴转台组件(7)上的转动部件上。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其中所述B轴转台组件(2)、X轴导轨组件(3)、Z轴导轨组件(5)、Y轴导轨组件(6)和C轴转台组件(7)均还包括电机驱动器、电机和组分盒；
所述X轴导轨组件(3)、Z轴导轨组件(5)和Y轴导轨组件(6)所包括的转动部件上均安装有直线光栅尺；所述B轴转台组件(2)和C轴转台组件(7)上均安装有圆光栅尺；所述直线光栅尺和圆光栅尺均包括光栅尺读数头；
还包括，放大器(8)；以及
UMAC控制器(9)，所述UMAC控制器(9)包括模拟电压数据采集模块(9-1)和轴运动控制卡(9-2)；
所述轴运动控制卡(9-2)的控制信号输出端通过所述电机驱动器与对应的所述电机的控制信号接收端相连接；所述光栅尺读数头的检测信号输出端分别通过对应的组分盒与轴运动控制卡(9-2)的检测信号接收端相连接，光栅尺读数头生成的位移信号作为位置反馈可以组成位置控制闭环。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其中所述位移信号为脉冲信号。
9.使用权利要求8所述的测量装置的控制方法，其特征在于：使用控制计算机(10)和网线LAN；所述光栅尺读数头作为位置反馈元件，UMAC控制器(9)将各个光栅尺读数头测得各轴的位移数据与LVDT传感器(1)位移数据相叠加，当LVDT传感器(1)的测头与待测零件(11)的待测表面接触时，LVDT传感器(1)发生位移变化后，UMAC控制器(9)获取和记录LVDT传感器(1)的位移数据并生成位移信号，所述移信号以±10V模拟电压的形式并通过信号放大器(8)连接到模拟电压数据采集模块(9-1)上，所述的控制计算机(10)通过网线LAN与UMAC控制器(9)双向连接实现总体控制及测量结果显示。
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