CN103438845B - 柱坐标测量机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量精度较高的柱坐标测量机，包括：旋转轴系，安装在具有中心定位装置的基座上且两侧分别设有测量横臂和配重横臂；滑车体，活动安装在测量横臂上并可在第一运动导向机构的保持下沿旋转轴系的径向移动；测头单元，活动安装在滑车体上并可沿平行于旋转轴系中心轴线的方向移动；以及配重装置；其中，所述旋转轴系包括主轴和与该主轴旋转适配连接的主轴套，测量横臂和配重横臂分别设置在主轴套的两侧，所述基座安装在主轴的下端；并且，所述测量横臂上第一运动导向机构的导向轨迹沿径向远离旋转轴系的方向向上倾斜，从而对滑车体移动时测量横臂变形量的变化进行补偿。

Description

柱坐标测量机

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种柱坐标测量机。

背景技术

柱坐标测量机是利用传感技术和电子技术对柱坐标系物体（下称被测物体）进行坐标测量的数字化几何量测量仪器，用来测量被测物体表面的X、Y及C轴坐标，从而确定被测物体的相关参数。柱坐标测量机目前主要应用在船舶、航空、水电设备等制造行业中对具有复杂空间结构和形状的工件进行测量，如对螺旋桨叶片节距的测量等。

本发明拟改进的一种柱坐标测量机的结构主要包括：旋转轴系，所述旋转轴系安装在具有中心定位装置的基座上且两侧分别设有可绕该旋转轴系旋转的测量横臂和配重横臂；滑车体，所述滑车体活动安装在测量横臂上并可在第一运动导向机构的保持下沿旋转轴系的径向移动；测头单元，所述测头单元活动安装在滑车体上并可在第二运动导向机构的保持下沿平行于旋转轴系中心轴线的方向移动；以及配重装置，所述配重装置安装在配重横臂上以保持柱坐标测量机的平衡。当然，该柱坐标测量机中还应包括有用于测量滑车体水平运动位置的传感器、测头单元垂直运动位置的传感器以及旋转轴系旋转角度的传感器，以及与这些传感器信号连接的控制系统。但是，上述这些均是柱坐标测量机的常规设备，故本发明不再赘述。

其中，中心定位装置的作用是将基座安装定位在被测物体上，并使被测物体的基准中心与中心定位装置的定位中心重合。例如，当对螺旋桨叶片节距进行测量时，可采用类似卡盘结构的中心定位装置，并利用螺旋桨上本身已加工出的中心孔，将中心定位装置的卡爪卡入该中心孔孔壁，从而使中心定位装置的定位中心与中心孔的中心相重合。当然，中心定位装置并非必须采用上述结构，比如，作为中心定位装置的另外一种实现方式，可使用与中心孔配合的定位台阶。根据被测物体上测量基准的具体形式，还可采用其他结构的中心定位装置。

本发明拟改进的柱坐标测量机主要有以下几方面问题：第一，滑车体移动时测量横臂所承受的力矩会发生变化，从而导致测量横臂的变形量相应的发生微小改变，最终影响滑车体运动的水平度；第二，在使用中心定位装置的情况下，要保证柱坐标测量机的精度，自然也要求中心定位装置的定位中心与旋转轴系的中心轴线是重合的；然而，由于测量横臂、配重横臂的旋转以及滑车体的往复运动，会导致旋转轴系的受力发生变化，容易影响中心定位装置的定位中心与旋转轴系中心轴线的同轴度，从而降低测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量精度较高的柱坐标测量机。

本发明柱坐标测量机包括：旋转轴系，所述旋转轴系安装在具有中心定位装置的基座上且两侧分别设有可绕该旋转轴系中心轴线旋转的测量横臂和配重横臂；滑车体，所述滑车体活动安装在测量横臂上并可在第一运动导向机构的保持下沿旋转轴系的径向移动；测头单元，所述测头单元活动安装在滑车体上并可在第二运动导向机构的保持下沿平行于旋转轴系中心轴线的方向移动；以及配重装置，所述配重装置安装在配重横臂上以保持柱坐标测量机的平衡；其中，所述旋转轴系包括主轴和与该主轴旋转适配连接的主轴套，测量横臂和配重横臂分别设置在主轴套的两侧，所述基座安装在主轴的下端；并且，所述测量横臂上第一运动导向机构的导向轨迹沿径向远离旋转轴系的方向向上倾斜，从而对滑车体移动时测量横臂变形量的变化进行补偿。

考虑到滑车体移动时测量横臂所承受的力矩将发生变化，导致测量横臂的变形量相应的发生微小改变，影响滑车体运动的水平度，因此，本发明将柱坐标测量机中所述测量横臂上第一运动导向机构的导向轨迹设计为沿径向远离旋转轴系的方向略微向上倾斜，从而对滑车体移动时测量横臂变形量的变化进行补偿。具体而言，当滑车体在第一运动导向机构的保持下沿旋转轴系的径向向远离旋转轴系的方向移动时，由于力臂的增大而导致测量横臂所承受的力矩相应增大，因此，测量横臂的变形趋势也相应的增大，而当第一运动导向机构的导向轨迹设计为沿径向远离旋转轴系的方向略微向上倾斜时，能够对滑车体移动时测量横臂变形量的变化进行补偿，由此提高了滑车体运行的水平度。当滑车体径向向靠近旋转轴系移动时亦同理。作为导向轨迹的一种具体形式，该导向轨迹为与水平面夹角15″至50″的直线。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述测量横臂与主轴套为一体，配重横臂安装在主轴套上；或者，所述测量横臂的端部具有与该测量横臂为一体并通过止转结构套置于主轴套上的外轴套，配重横臂安装在外轴套上。由此，可提高旋转轴系受力的整体性和均匀性，避免产生较大的局部变形。

在此基础上，所述主轴套或外轴套与测量横臂一体铸造成型；铸造成型的测量横臂包括以同时通过主轴套或外轴套中心轴线以及测头单元中心轴线的铅垂面面对称设置的第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部和第二支撑部为与该铅垂面平行且为上底边朝外的梯形板状结构，其板面上设有减重孔槽，测量横臂的外端具有连接该第一支撑板和第二支撑板的连接部；滑车体与第一支撑部和第二支撑部上加工的导向面配合，测头单元通过穿过第一支撑部和第二支撑部之间的第一运动导向机构与滑车体连接。这样，提高了测量横臂的受力平衡性，且测量横臂变形较小，可进一步提高柱坐标测量机的测量精度。

作为对上述技术方案的又一步改进，所述主轴中还设有定位芯轴，该定位芯轴位于主轴的中心轴线上并与该主轴紧密配合，定位芯轴的下端插入基座的中心定位孔并与其紧密配合，该中心定位孔的轴心线与中心定位装置的定位中心重合。由于定位芯轴位于主轴的中心轴线上并与该主轴紧密配合，同时定位芯轴下端插入基座的中心定位孔并与其紧密配合，而中心定位孔的轴心线又与中心定位装置的定位中心重合，因此，通过定位芯轴可使得主轴的中心轴线与中心定位装置的定位中心重合，确保了柱坐标测量机与被测物体之间的定位精度，从而保证了柱坐标测量机的测量精度。另一方面，定位芯轴还进一步增强了基座与旋转轴系之间的连接强度和刚度，当测量横臂、配重横臂的旋转以及滑车体的运动导致旋转轴系承受变化的载荷时，通过定位芯轴可有效避免主轴的中心轴线与中心定位装置的定位中心偏移错位。

此外，为了便于调节测头单元运动的方向，所述滑车体上的第二运动导向机构包括导向立柱以及沿该导向立柱上下间隔设置的至少两部导向调心装置，所述导向立柱的柱面上沿周向间隔设置有三个导向平面，相邻导向平面之间的夹角为60°，每部导向调心装置包括位于同一高度上的三个分别与不同导向平面滚动配合的导向轮，这三个导向轮分别在径向压紧装置的作用下紧贴对应的导向平面，且其中至少有一个导向轮的径向压紧装置采用了偏心调整转轴，导向轮安装在偏心调整转轴上，该导向轮的旋转中心与偏心调整转轴的旋转中心偏心设置。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明柱坐标测量机的结构示意图。

图2为图1中A-A向剖视图。

图3为本发明柱坐标测量机测量横臂的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的柱坐标测量机，包括：旋转轴系1，旋转轴系1安装在具有中心定位装置201的基座2上且两侧分别设有可绕该旋转轴系1旋转的测量横臂6和配重横臂7；滑车体3，滑车体3活动安装在测量横臂6上并可在第一运动导向机构的保持下沿旋转轴系1的径向移动；测头单元4，测头单元4活动安装在滑车体3上并可在第二运动导向机构的保持下沿平行于旋转轴系1中心轴线的方向移动；以及配重装置5，配重装置5安装在配重横臂7上以保持柱坐标测量机的平衡；其中，所述旋转轴系1包括主轴101和与该主轴101旋转适配连接的主轴套102，测量横臂6和配重横臂7分别设置在主轴套102的两侧，所述基座2安装在主轴101的下端；所述主轴101中还设有定位芯轴103，该定位芯轴103位于主轴101的中心轴线上并与该主轴101紧密配合，定位芯轴103的下端插入基座2的中心定位孔并与其紧密配合，该中心定位孔的轴心线与中心定位装置201的定位中心重合；并且，考虑到滑车体3移动时测量横臂6所承受的力矩将发生变化，导致测量横臂6的变形量相应的发生微小改变，影响滑车体3运动的水平度，本发明还将柱坐标测量机中所述测量横臂6上第一运动导向机构的导向轨迹设计为沿径向远离旋转轴系1的方向略微向上倾斜，从而对滑车体3移动时测量横臂6变形量的变化进行补偿。

如图1所示，上述柱坐标测量机中，滑车体3沿旋转轴系1的径向即X轴方向运动，测头单元4沿平行于旋转轴系1中心轴线的方向即Y轴方向运动，测量横臂6和配重横臂7同步的绕旋转轴系1的中心轴线L及C轴旋转运动，通过对这三个运动的控制和测量，即可得到由测头单元4的测头所标定的被测点在X、Y及C轴的坐标值。

其中，定位芯轴103实现了主轴101与中心定位装置201之间装配的同轴度，使得主轴101的中心轴线与中心定位装置201的定位中心重合，而中心定位装置201的作用又是使被测物体的基准中心与中心定位装置201的定位中心重合，因此，通过中心定位装置201将基座2安装定位在被测物体上后，被测物体的基准中心将与主轴101的中心轴线重合。测量时，测量横臂6、配重横臂7要进行旋转，并且滑车体3也会根据测量的需要在测量横臂6上水平运动，导致旋转轴系1承受变化的载荷，而定位芯轴103还可有效避免主轴101的中心轴线与中心定位装置201的定位中心因此发生偏移错位。

如图1所示，为了使主轴101与该主轴套102旋转适配连接，一种具体实施方式为：主轴101与该主轴套102之间通过轴承组旋转适配连接；所述轴承组包括用以保持主轴101与主轴套102之间同轴度的第一上轴承104和第一下轴承105，以及用以承受主轴101与主轴套102之间轴向载荷的第二上轴承106和第二下轴承107，所述第二上轴承106和第二下轴承107分别位于第一上轴承104和第一下轴承105的上方和下方，并设有不影响第一上轴承104和第一下轴承105径向受力的游隙。该实施方式有利于保证主轴101与主轴套102的同轴度，有效避免主轴套102偏心旋转。

如图1所示，作为定位芯轴103的一种较佳的安装方式，所述定位芯轴103的下端设有定位凸肩103a，该定位凸肩103a的周边紧贴连接板8，该连接板8的上端面与主轴101的下端面之间通过螺钉连接，该连接板8的下端面与基座2的上端面之间通过螺钉连接，并使定位凸肩103a的下台阶面与基座2的上端面接触。这种安装方式是以定位芯轴103为定位基准，以此实现将主轴101与基座2的连接，并且对芯轴103进行轴向定位，具有装配精度高，结构稳定可靠等多方面的优点。

如图1所示，作为进一步的改进，所述测量横臂6与主轴套102为一体，配重横臂7安装在主轴套102上。将测量横臂6与主轴套102设计为一体，能够提高旋转轴系1受力的整体性和均匀性，避免局部产生较大的弹性变形。当然，测量横臂6也可以设计成端部具有与该测量横臂6为一体并通过止转结构套置于主轴套102上的外轴套，配重横臂7安装在外轴套上的结构，从而达到相似的技术效果。

如图1、3所示，基于测量横臂6与主轴套102为一体的设计，所述主轴套102与测量横臂6一体铸造成型；铸造成型的测量横臂6包括以同时通过主轴套102或外轴套中心轴线以及测头单元4中心轴线的铅垂面面对称设置的第一支撑部601和第二支撑部602，所述第一支撑部601和第二支撑部602为与该铅垂面平行且为上底边朝外的梯形板状结构，其板面上设有减重孔槽，测量横臂6的外端具有连接该第一支撑板601和第二支撑板602的连接部603；滑车体3与第一支撑部601和第二支撑部602上加工的导向面配合，测头单元4通过穿过第一支撑部601和第二支撑部602之间的第一运动导向机构与滑车体3连接。

而基于测量横臂6与外轴套为一体的设计，所述外轴套与测量横臂6一体铸造成型；铸造成型的测量横臂6包括以同时通过主轴套102或外轴套中心轴线以及测头单元4中心轴线的铅垂面面对称设置的第一支撑部601和第二支撑部602，所述第一支撑部601和第二支撑部602为与该铅垂面平行且为上底边朝外的梯形板状结构，其板面上设有减重孔槽，测量横臂6的外端具有连接该第一支撑板601和第二支撑板602的连接部603；滑车体3与第一支撑部601和第二支撑部602上的导向面配合，测头单元4通过穿过第一支撑部601和第二支撑部602之间的第一运动导向机构与滑车体3连接。对上述两种测量横臂6，由于其采用了严格对称的设计，因此测量横臂6的受力平衡性较好；同时，上述设计还能够在保证测量横臂6轻量化的同时，对滑车体3提供良好的支撑和导向，降低测量横臂6的变形量，进一步提高了柱坐标测量机的精度。

如图1、2所示，作为再一步的改进，所述滑车体3上的第二运动导向机构包括导向立柱10以及沿该导向立柱10上下间隔设置的至少两部导向调心装置9，所述导向立柱10的柱面上沿周向间隔设置有三个导向平面11，相邻导向平面11之间的夹角为60°，每部导向调心装置9包括位于同一高度上的三个分别与不同导向平面11滚动配合的导向轮901，这三个导向轮901分别在径向压紧装置的作用下紧贴对应的导向平面11，且其中至少有一个导向轮901的径向压紧装置采用了偏心调整转轴902，导向轮901安装在偏心调整转轴902上，该导向轮901的旋转中心与偏心调整转轴902的旋转中心偏心设置。更具体的是，每部导向调心装置9的三个导向轮901中其中一个导向轮901的径向压紧装置采用了所述偏心调整转轴902，其余两个导向轮901的径向压紧装置采用压紧螺钉903。

上述导向调心装置9能够对导向立柱10的径向位置进行调节。当沿导向立柱10上下间隔设置至少两部上述的导向调心装置9后，通过对这两部导向调心装置9，就能够调整导向立柱10的垂直度，提高其导向精度。以每部导向调心装置9的三个导向轮901中其中一个导向轮901的径向压紧装置采用了所述偏心调整转轴902，其余两个导向轮901的径向压紧装置采用压紧螺钉903为例，使用了偏心调整转轴902的导向轮901能够通过旋转该偏心调整转轴902实现与对应导向平面11之间的压紧和松开，当需要调整导向立柱10的垂直度时，先旋转该偏心调整转轴902使与该偏心调整转轴902连接的导向轮901与对应导向平面11松开，然后再调整其他两个导向轮901的压紧螺钉903，最后再次转动偏心调整转轴902，从而将导向立柱10紧紧压在三个导向轮901之间。这种方式不仅避免了在多个压紧螺钉903之间来回调整适配的繁琐过程，同时能够提供强大的压紧力，保持定位精度。

实施例1

将图3所示的铸造成型后的测量横臂6安装在旋转轴系1上以后，再对其导向面进行加工，使第一支撑部601和第二支撑部602上的导向面形成与水平面夹角为15″的平面，然后再安装滑车体3，这样，对滑车体3的导向轨迹形成为与水平面夹角为15″的直线。验证表明，上述结构能够确保滑车体3运动的水平度在0.1mm/1000mm（即滑车体3每运行1000mm，其垂直跳动在0.1mm）以内。

实施例2

将图3所示的铸造成型后的测量横臂6安装在旋转轴系1上以后，再对其导向面进行加工，使第一支撑部601和第二支撑部602上的导向面形成与水平面夹角为50″的平面，然后再安装滑车体3，这样，对滑车体3的导向轨迹形成为与水平面夹角为50″的直线。验证表明，上述结构能够确保滑车体3运动的水平度在0.08mm/1000mm（即滑车体3每运行1000mm，其垂直跳动在0.08mm）以内。

实施例3

将图3所示的铸造成型后的测量横臂6安装在旋转轴系1上以后，再对其导向面进行加工，使第一支撑部601和第二支撑部602上的导向面形成与水平面夹角为30″的平面，然后再安装滑车体3，这样，对滑车体3的导向轨迹形成为与水平面夹角为30″的直线。验证表明，上述结构能够确保滑车体3运动的水平度在0.05mm/1000mm（即滑车体3每运行1000mm，其垂直跳动在0.05mm）以内。

Claims (8)

1.柱坐标测量机，包括：

旋转轴系(1)，所述旋转轴系(1)安装在具有中心定位装置(201)的基座(2)上且两侧分别设有可绕该旋转轴系(1)中心轴线旋转的测量横臂(6)和配重横臂(7)；

滑车体(3)，所述滑车体(3)活动安装在测量横臂(6)上并可在第一运动导向机构的保持下沿旋转轴系(1)的径向移动；

测头单元(4)，所述测头单元(4)活动安装在滑车体(3)上并可在第二运动导向机构的保持下沿平行于旋转轴系(1)中心轴线的方向移动；以及

配重装置(5)，所述配重装置(5)安装在配重横臂(7)上以保持柱坐标测量机的平衡；

其特征在于，

所述旋转轴系(1)包括主轴(101)和与该主轴(101)旋转适配连接的主轴套(102)，测量横臂(6)和配重横臂(7)分别设置在主轴套(102)的两侧，所述基座(2)安装在主轴(101)的下端；并且

所述测量横臂(6)上第一运动导向机构的导向轨迹沿径向远离旋转轴系(1)的方向向上倾斜，从而对滑车体(3)移动时测量横臂(6)变形量的变化进行补偿；

所述主轴(101)中还设有定位芯轴(103)，该定位芯轴(103)位于主轴(101)的中心轴线上并与该主轴(101)紧密配合，定位芯轴(103)的下端插入基座(2)的中心定位孔并与其紧密配合，该中心定位孔的轴心线与中心定位装置(201)的定位中心重合。

2.如权利要求1所述的柱坐标测量机，其特征在于：所述导向轨迹为与水平面夹角15″至50″的直线。

3.如权利要求1或2所述的柱坐标测量机，其特征在于：所述测量横臂(6)与主轴套(102)为一体，配重横臂(7)安装在主轴套(102)上；或者，所述测量横臂(6)的端部具有与该测量横臂(6)为一体并通过止转结构套置于主轴套(102)上的外轴套，配重横臂(7)安装在外轴套上。

4.如权利要求3所述的柱坐标测量机，其特征在于：所述主轴套(102)或外轴套与测量横臂(6)一体铸造成型；铸造成型的测量横臂(6)包括以同时通过主轴套(102)或外轴套中心轴线以及测头单元(4)中心轴线的铅垂面面对称设置的第一支撑部(601)和第二支撑部(602)，所述第一支撑部(601)和第二支撑部(602)为与该铅垂面平行且上底边朝外的梯形板状结构，其板面上设有减重孔槽，测量横臂(6)的外端具有连接该第一支撑板(601)和第二支撑板(602)的连接部(603)；滑车体(3)与第一支撑部(601)和第二支撑部(602)上加工的导向面配合，测头单元(4)通过穿过第一支撑部(601)和第二支撑部(602)之间的第一运动导向机构与滑车体(3)连接。

5.如权利要求1或2所述的柱坐标测量机，其特征在于：所述主轴(101)与该主轴套(102)之间通过轴承组旋转适配连接；所述轴承组包括用以保持主轴(101)与主轴套(102)之间同轴度的第一上轴承(104)和第一下轴承(105)，以及用以承受主轴(101)与主轴套(102)之间轴向载荷的第二上轴承(106)和第二下轴承(107)，所述第二上轴承(106)和第二下轴承(107)分别位于第一上轴承(104)和第一下轴承(105)的上方和下方，并设有不影响第一上轴承(104)和第一下轴承(105)径向受力的游隙。

6.如权利要求1或2所述的柱坐标测量机，其特征在于：所述定位芯轴(103)的下端设有定位凸肩(103a)，该定位凸肩(103a)的周边紧贴连接板(8)，该连接板(8)的上端面与主轴(101)的下端面之间通过螺钉连接，连接板(8)的下端面与基座(2)的上端面之间通过螺钉连接，并使定位凸肩(103a)的下台阶面与基座(2)的上端面接触。

7.如权利要求1或2所述的柱坐标测量机，其特征在于：所述滑车体(3)上的第二运动导向机构包括导向立柱(10)以及沿该导向立柱(10)上下间隔设置的至少两部导向调心装置(9)，所述导向立柱(10)的柱面上沿周向间隔设置有三个导向平面(11)，相邻导向平面(11)之间的夹角为60°，每部导向调心装置(9)包括位于同一高度上的三个分别与不同导向平面(11)滚动配合的导向轮(901)，这三个导向轮(901)分别在径向压紧装置的作用下紧贴对应的导向平面(11)，且其中至少有一个导向轮(901)的径向压紧装置采用了偏心调整转轴(902)，导向轮(901)安装在偏心调整转轴(902)上，该导向轮(901)的旋转中心与偏心调整转轴(902)的旋转中心偏心设置。

8.如权利要求7所述的柱坐标测量机，其特征在于：每部导向调心装置(9)的三个导向轮(901)中其中一个导向轮(901)的径向压紧装置采用了所述偏心调整转轴(902)，其余两个导向轮(901)的径向压紧装置采用压紧螺钉(903)。