CN103644846A - 高精度特大型工件在线精密测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度特大型工件在线精密测量系统，该系统测量能够在线测量特大型高精度工件加工过程中的几何参数。该测量系统，包括光电码盘、信号处理系统、加工机床以及至少一个光栅测量装置；所述光栅测量装置，包括组合支架，所述组合支架上至少设置有两个长度光栅，所述光电码盘安装在车床上，所述光电码盘为圆环形，所述光电码盘与车床具有的主轴同轴，所述长度光栅具有的测量点位于与光电码盘同轴的圆柱体的表面，所述圆柱体位于车床与光电码盘之间，所述长度光栅与信号处理系统电连接。采用该系统能够实现高精度、高效率、智能化在线无基准现场柔性精密测量工件加工过程中的几何参数。

Description

高精度特大型工件在线精密测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，特别是涉及一种高精度特大型工件在线精密测量系统。

背景技术

公知的目前大尺寸测量技术主要分为三类：

一是基于正交系的大型三坐标测量机，测量距离3～10m，测量精度5～20ppm，测量效率高，刚性体制，但其缺点是测量设备固定工位，被测工件必须离线测量，并且正交系坐标测量技术基于直线长度测量，需要长直线导轨作为直线运动基准。而直线导轨，特别是长直线导轨，制造复杂，价格昂贵，安装困难，使其在特大尺寸现场测量技术的发展和应用中受到限制。

二是基于非正交系的激光跟踪仪、经纬仪、室内GPS等，测量距离10～100m，测量精度20～100ppm，测量效率低，柔性体制，现场在线测量。基于非正交系的极坐标测量以空间大角度测量为基础，由于空间角度测量误差的距离放大特性，空间坐标的测量误差随测量距离增大成线性增大，使非正交测量技术的大空间坐标测量精度受到相当程度的限制。另外，非正交系极坐标测量方法的自动测量也是一个急待解决的技术难题。

三是在加工车床上安装测量传感器，利用车床自身的运动，使用传感器进行测量。这种测量方式，是建立在车床运动精度的基础上，其车床自身的运动部件的定位误差将完全带入到测量结果中，故这种测量仅适合低精度的工件装卡、找正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在线测量特大型高精度工件加工过程中的几何参数的高精度特大型工件在线精密测量系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高精度特大型工件在线精密测量系统，包括光电码盘、信号处理系统、车床以及至少一个光栅测量装置；所述光栅测量装置，包括组合支架，所述组合支架上至少设置有两个长度光栅，所述光电码盘安装在车床上，所述光电码盘为圆环形，所述光电码盘与车床具有的主轴同轴，所述长度光栅具有的测量点位于与光电码盘同轴的圆柱体的表面，所述圆柱体位于车床与光电码盘之间；所述长度光栅与信号处理系统电连接。

进一步的，所述光栅测量装置具有两个，分别为径向长度光栅测量装置以及轴向长度光栅测量装置；所述径向长度光栅测量装置上设置有四个径向长度光栅，所述径向长度光栅垂直于光电码盘中心轴线安装布置；所述轴向长度光栅测量装置上设置有五个轴向长度光栅，所述轴向长度光栅平行于光电码盘中心轴线安装布置。

进一步的，所述组合支架包括立柱、滑移台、支撑杆、定位光栅、光栅滑架以及光栅转座；所述滑移台与立柱滑动连接，所述定位光栅安装在立柱侧面，沿立柱长度方向上延伸，所述支撑杆设置在滑移台上，所述光栅滑架设置在支撑杆上，所述光栅转座设置在支撑杆以及光栅滑架上；所述径向长度光栅安装在光栅转座上，所述轴向长度光栅安装在光栅转座上。

进一步的，所述组合支架还包括校准转台，所述校准转台设置在立柱的下端，所述立柱与校准转台转动连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的高精度特大型工件在线精密测量系统，是基于正交系的测量系统，在不依赖高精度车床及大尺寸测量基准的情况下,采用远程定位和终端测量柔性组合体制,在生产现场快速搭建特大空间坐标精密测量系统。实现特大型机械零部件的高精度、高效率、智能化在线无基准现场柔性精密测量。

附图说明

图1是本发明实施例中高精度特大型工件在线精密测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中径向长度光栅测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中轴向长度光栅测量装置的结构示意图；

图4是本发明应用例中二点法光栅测量原理图；

图5是本发明应用例中四点法光栅测量原理图；

图6是本发明应用例中五点法光栅测量原理图；

图中标示：1-径向长度光栅测量装置，10-立柱，11-校准转台，12-滑移台，13-支撑杆，14-定位光栅，15-径向长度光栅，16-轴向长度光栅，2-轴向长度光栅测量装置，20-光栅滑架，21-光栅转座，3-光电码盘，4-信号处理系统，5-工件，6-车床。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2以及图3所示，高精度特大型工件在线精密测量系统，包括光电码盘3、信号处理系统4、车床6以及至少一个光栅测量装置；

所述光栅测量装置，包括组合支架，所述组合支架上至少设置有两个长度光栅，所述光电码盘3安装在车床6上，所述光电码盘3为圆环形，所述光电码盘3与车床6具有的主轴同轴，所述长度光栅具有的测量点位于与光电码盘3同轴的圆柱体的表面，所述圆柱体位于车床6与光电码盘3之间；所述长度光栅与信号处理系统4电连接。

所述长度光栅是指长条形具有测量功能的光栅。所述的长度光栅具有的测量点是指长度光栅进行测量时长度光栅上的基准点。如图1所示，工件5为特大型轧辊工件。在对工件5进行检测的过程中，工件5装夹在车床6上。首先在车床6上建立一个直角坐标系，然后通过标准长度件对光栅测量装置中的长度光栅进行校准，从而将车床6上的直角坐标系与长度光栅建立起来的直角坐标系进行相互换算。校准完成后移动组合支架，使得测量装置位于工件5测量的位置上，通过长度光栅对加工过程中的工件5上几何参数进行实时测量。长度光栅得到的测量数据传递到信号处理系统4内进行处理，最终得出测量结果。根据测量工件加工过程中的具体几何参数，设定长度光栅的个数以及位置。

通过本发明所述的高精度特大型工件在线精密测量系统可以完成对加工过程中的工件5进行实时在线测量，由于首先在车床6上建立一个直角坐标系，然后通过标准长度件对光栅测量装置中的长度光栅进行校准，从而将车床6上的直角坐标系与长度光栅建立起来的直角坐标系进行相互换算。采用长度光栅作为测量基准，通过多个长度光栅组合方式构成测量系统，由多个长度光栅共同建立直角坐标系，由于长度光栅建立的坐标系精度较高，其精度不收车床运动误差，以及车床自身误差的影响，因此误差较小。由多个长度光栅的测量基准得到测量结果，在根据多个基准的测量结果进行误差分析，并利用误差分离技术，从而减小误差，提高检测精度。因此不必考虑加工车床6本身的精度，也不需要其它形貌测量基准，便可以精确地测量工件的直径、圆度、跳动等几何参数。同时通过信号处理系统4对检测信号进行数学建模计算分析最终得出测量结果，具有智能性，提高了效率。从而实现特大型机械零部件的高精度、高效率、智能化在线无基准现场精密测量。

为了使得测量系统在对工件5进行测量的过程中能够提高精准度，同时检测车床6主轴的各项运动误差。进一步的，如图1、图2以及图3所示，所述光栅测量装置具有两个，分别为径向长度光栅测量装置1和轴向长度光栅测量装置2；所述径向长度光栅测量装置1上设置有四个径向长度光栅15，所述径向长度光栅15垂直于光电码盘3中心轴线安装布置；所述轴向长度光栅测量装置2上设置有五个轴向长度光栅16，所述轴向长度光栅16平行于光电码盘3中心轴线安装布置。

所述径向长度光栅测量装置1和轴向长度光栅测量装置2均包组合支架和长度光栅。径向长度光栅测量装置1的长度光栅为径向长度光栅15；轴向长度光栅测量装置2的长度光栅为轴向长度光栅16。通过径向长度光栅测量装置1可以实现对工件5直径以及圆度的测量，同时还可以测量车床6主轴径向跳动量。通过轴向长度光栅测量装置2可以测量车床6主轴轴向误差，以及车床6主轴倾角误差。

为了提高检测系统的检测柔性，使得同一检测装置可以使用于多种型号的工件。所述组合支架包括立柱10、滑移台12、支撑杆13、定位光栅14、光栅滑架20以及光栅转座21；所述滑移台12与立柱10滑动连接，所述定位光栅14安装在立柱10侧面沿立柱10长度方向上延伸，所述支撑杆13设置在滑移台12上，所述光栅滑架20设置在支撑杆13上，所述光栅转座21设置在支撑杆13以及光栅滑架20上；所述径向长度光栅15安装在光栅转座21上，所述轴向长度光栅16安装在光栅转座21上。

所述立柱10支撑滑移台12，立柱10引导滑移台12上下运动，具有很好的稳定性。滑移台12在立柱10上下运动带动支撑杆13调节光栅的初始测量位置，从而实现不同直径工件的测量，材质选取为轻质铝合金。定位光栅14固定在立柱10上，定位光栅14能够测量滑移台12上下滑动的位置，可以使得滑移台12精准定位。光栅滑架20安装在支撑杆13上，用于调节光栅转座21的水平及垂直位置。光栅转座21安装在支撑杆13以及光栅滑架20上，可调节长度光栅的角度，使得长度光栅指向规定的测量方位。所述光栅转座21安装在支撑杆13以及光栅滑架20上是指当长度光栅检测点位于工件5上，长度光栅距离支撑杆13较近时，直接将光栅转座21安装在支撑杆13上，当长度光栅距离支撑杆13较远时，必须通过其他部件实现该段距离时，光栅转座21安装在光栅滑架20上，通过光栅滑架20补偿该段距离。

通过组合支架上的上述结构对长度光栅的初始位置可以进行适应性调整，从而使得该测量系统能够对不同直径和长度的超大型工件5进行在线测量；提高了该测量系统的测量柔性。

为了便于测量系统在测量前的校准，如图1所示，所述组合支架还包括校准转台11，所述校准转台11设置在立柱10的下端，所述立柱10与校准转台11转动连接。所述立柱10与校准转台11转动连接是指立柱10与销轴转台11连接，并且立柱10相对于校准转台11可以转动。由于立柱10相对于校准转台11可以转动，因此在对测量系统的校准，只需通过转动立柱使得测量系统上的长度光栅围绕立柱10旋转180°，便可以方便的对其进行校准，不会受到车床6的阻碍，使得校准更加方便快捷。

实施例

如图1至图6所示，高精度特大型工件在线精密测量系统，包括光电码盘3、信号处理系统4、车床6以及至少一个光栅测量装置；

所述光栅测量装置，包括组合支架，所述组合支架上至少设置有两个长度光栅，所述光电码盘3安装在车床6上，所述光电码盘3为圆环形，所述光电码盘3与车床6具有的主轴同轴，所述长度光栅具有的测量点位于与光电码盘3同轴的圆柱体的表面，所述圆柱体位于车床6与光电码盘3之间；所述长度光栅与信号处理系统4电连接。所述光栅测量装置具有两个，分别为径向长度光栅测量装置1和轴向长度光栅测量装置2；所述径向长度光栅测量装置1上设置有四个径向长度光栅15，所述径向长度光栅15垂直于光电码盘3中心轴线安装布置；所述轴向长度光栅测量装置2上设置有五个轴向长度光栅16，所述轴向长度光栅16平行于光电码盘3中心轴线安装布置。所述组合支架包括立柱10、滑移台12、支撑杆13、定位光栅14、光栅滑架20以及光栅转座21；所述滑移台12与立柱10滑动连接，所述定位光栅14安装在立柱10侧面，沿立柱10长度方向上延伸，所述支撑杆13设置在滑移台12上，所述光栅滑架20设置在支撑杆13上，所述光栅转座21设置在支撑杆13以及光栅滑架20上；所述径向长度光栅15安装在光栅转座21上，所述轴向长度光栅16安装在光栅转座21上。所述组合支架还包括校准转台11，所述校准转台11设置在立柱10的下端，所述立柱10与校准转台11转动连接。

实施例中所述高精度特大型工件在线精密测量系统，通过采用组合光栅测量系统对工件5进行测量。可以精确地测量工件5的直径、圆度、跳动等参数，同时还可以测量车床6主轴的跳动及偏摆等6项运动误差，以高性价比获得高精度的工件5的加工系统。

应用例一

采用实施例中的高精度特大型工件在线精密测量系统通过二点法光栅测量方案，测量工件直径误差。

二点法光栅测量原理如图4所示，采用两个径向长度光栅15，两个径向长度光栅15分别放置在测量点P1、P2处。P1、P2处的径向长度光栅15垂直于光电码盘3放置，构成多光栅组合测量系统。可以消除车床跳动误差及温度误差的影响，直接测量工件的直径误差。测量精度主要由径向长度光栅15的精度决定。

二点法光栅测量的数学模型如式1所示：

$D=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[L_1-P_1\left({\mathrm{\θ}}_i\right)-P_2\left({\mathrm{\θ}}_i\right)]}{n}---\left(1\right)$

其中，D为被测工件直径；n是测量位置数，一般取为36；θi为被测位置i处工件相对于初始位置的转角；L1为两个径向长度光栅15之间的初始距离，在测量前校准；P1（θi）、P2（θi）分别为测量点P1、P2处径向长度光栅15的长度测量值，在初始测量位置i=1处，P1（θ1）=0，P2（θ1）=0。在测量前，需将校准转台转动180°，用标准长度件对二点法光栅测量系统进行校准。

应用例二

采用实施例中的高精度特大型工件在线精密测量系统通过四点法光栅测量方案，测量工件圆度、x及y径向跳动误差。

四点法光栅测量原理如图5所示，采用4个径向长度光栅15垂直于光电码盘3放置，分别放置在测量点N1、N2、N3、N4处，构成多光栅组合测量系统，可测量工件的圆度误差，以及x向、y向跳动误差。测量精度由径向长度光栅15及径向长度光栅15间夹角精度决定。

四点法光栅测量的数学模型如式2所示：

$s\left(\mathrm{\θ}\right)=R_1+\underset{i=2}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{R}_i-[r\left(\mathrm{\θ}\right)+\underset{i=2}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}r(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\φ}}_i)]-[1+\underset{i=2}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\cos {\mathrm{\φ}}_i]x\left(\mathrm{\θ}\right)+\underset{i=2}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\sin {\mathrm{\φ}}_{i}y\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

其中，R_i（i＝1～4）为位于Ni处的径向长度光栅15的零起度数；φ_i（i＝2～4）为第i个径向长度光栅15与位于第一测量点N1处的径向长度光栅15之间的夹角；r(θ)为工件圆度；x(θ)、y(θ)分别为x及y向跳动误差。s(θ)为构造线性方程，其模型如式3所示：

s(θ)＝s₁(θ)+a₂s₂(θ)+a₃s₃(θ)+a₄s₄(θ)       (3)

其中，s₁(θ)（i＝1～4）为长度光栅n1的度数值，a₂为自由变量，通过优化选择决定，可以提高测量精度，而a₃、a₄分别为：

$\left\{\begin{array}{cc}{a}_3=-\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_4+a_2\sin ({\mathrm{\φ}}_4-{\mathrm{\φ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\φ}}_4-{\mathrm{\φ}}_3)}& \left(4\right)\\ a_4=\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_3+a_2\sin (\mathrm{\φ}3-{\mathrm{\φ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\φ}}_4-{\mathrm{\φ}}_3)}& \left(5\right)\end{array}\right.$

在测量前，需将校准转台转动180°，用标准长度件对四点法光栅测量系统进行校准。

应用例三

采用实施例中的高精度特大型工件在线精密测量系统通过五点法光栅测量方案，测量工件轴向跳动误差。

五点法光栅测量原理如图6所示，采用五个轴向长度光栅16组合，分别放置在测量点Q1、Q2、Q3、Q4、Q5处构成多光栅组合测量系统，可测量工件5的轴向跳动误差。测量精度由两个轴向长度光栅16之间的夹角精度决定。

五点法光栅测量的数学模型如（6）式所示。

$s\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{R}_i-z\left(\mathrm{\θ}\right)\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i+r{\mathrm{\ω}}_x\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{\λ}}_{x1}+r{\mathrm{\ω}}_y\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{\λ}}_{y1}-f_0\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i-\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i[(A_k{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{xk}}-B_k{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{yk}})\cos \mathrm{k\θ}+(B_k{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{xk}}-A_k{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{yk}})\sin \mathrm{k\θ}]---\left(6\right)$

其中，R_i为位于Qi处轴向长度光栅16的测量值；Z(θ)为工件的轴向跳动误差；ω_x(θ)、ω_y(θ)分别为工件绕x及y轴的倾角误差；k为误差谐波次数；

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{xk}}=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\cos k{\mathrm{\φ}}_i$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{yk}}=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\sin k{\mathrm{\φ}}_i$

$s\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{s}_i\left(\mathrm{\θ}\right)$

式（6）求傅立叶方程解，即可得到工件的轴向跳动误差。在测量前，需将校准转台转动180°，用标准长度件对五点法光栅测量系统进行校准。

在上述应用例一、二和应用例三中可以看出，在度长度光栅的测量信息的处理过程中均以长度光栅作为测量基准，多个长度光栅共同建立直角坐标系，对测量结果进行分析。

综上所述，本实发明所述的高精度特大型工件在线精密测量系统，是基于正交系的测量系统，在不依赖高精度车床及大尺寸测量基准的情况下,采用远程定位和终端测量柔性组合体制,在生产现场快速搭建特大空间坐标精密测量系统。实现特大型机械零部件的高精度、高效率、智能化在线无基准现场柔性精密测量。

Claims (4)

1.高精度特大型工件在线精密测量系统，其特征在于：包括光电码盘（3）、信号处理系统（4）、车床（6）以及至少一个光栅测量装置；

所述各个光栅测量装置，包括组合支架，所述组合支架上至少设置有两个长度光栅，所述光电码盘（3）安装在车床（6）上，所述光电码盘（3）为圆环形，所述光电码盘（3）与车床（6）具有的主轴同轴，所述长度光栅具有的测量点位于与光电码盘（3）同轴的圆柱体的表面，所述圆柱体位于车床（6）与光电码盘（3）之间；

所述长度光栅与信号处理系统（4）电连接。

2.如权利要求1所述的高精度特大型工件在线精密测量系统，其特征在于：所述光栅测量装置具有两个分别为径向长度光栅测量装置（1）和轴向长度光栅测量装置（2）；

所述径向长度光栅测量装置（1）上设置有四个径向长度光栅（15），所述径向长度光栅（15）垂直于光电码盘（3）中心轴线安装布置；所述轴向长度光栅测量装置（2）上设置有五个轴向长度光栅（16），所述轴向长度光栅（16）平行于光电码盘（3）中心轴线安装布置。

3.如权利要求1或2所述的高精度特大型工件在线精密测量系统，其特征在于：所述组合支架包括立柱（10）、滑移台（12）、支撑杆（13）、定位光栅（14）、光栅滑架（20）以及光栅转座（21）；

所述滑移台（12）与立柱（10）滑动连接，所述定位光栅（14）安装在立柱（10）侧面沿立柱（10）长度方向上延伸，所述支撑杆（13）设置在滑移台（12）上，所述光栅滑架（20）设置在支撑杆（13）上，所述光栅转座（21）设置在支撑杆（13）以及光栅滑架（20）上；所述径向长度光栅（15）安装在光栅转座（21）上，所述轴向长度光栅（16）安装在光栅转座（21）上。

4.如权利要求3所述的高精度特大型工件在线精密测量系统，其特征在于：所述组合支架还包括校准转台（11），所述校准转台（11）设置在立柱（10）的下端，所述立柱（10）与校准转台（11）转动连接。

Images