CN106052627A - 一种用于测量s形试件的装卡工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量S形试件的装卡工作台，由从下到上依次设置的X轴平移台、Y轴平移台和Y轴转台构成，所述X轴平移台、Y轴平移台和Y轴转台上分别安装有第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，X轴平移台和Y轴平移台的上表面分别设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽内设有与第一伺服电机相连的带有丝杠螺母的第一丝杠；第二凹槽内设置有与第一丝杠相垂直的第二丝杠，第二丝杠的一端与第二伺服电机相连；Y轴转台的一侧设有与第三伺服电机相连的蜗杆，Y轴转台的中部设有与所述蜗杆相啮合的回转支承轴承，回转支撑轴承上连接有用于卡接S形试件的卡盘。本发明保证S形试件的完整，并大大提高了测量效率。

Description

一种用于测量S形试件的装卡工作台

技术领域

本发明涉及一种用于测量S形试件的装卡工具，更具体的说，是涉及一种用于测量S形试件的装卡工作台。

背景技术

现代的制造业中，五轴联动数控机床得到越来越广泛的应用。在实际的生产过程中，机床精度验收是关键环节，在保证加工零件精度、机床调整中起着关键作用。为此，成都飞机场提出用于检验五轴数控机床加工性能的“S”形试件，见宋智勇、崔雅文的《综合检测数控铣床精度的“s”形检测试件及其检测方法》CN,CN 100468038 C[P].2009。如图1中“S”形试件的三维示意图，“S”形试件具有曲率变化大、开闭角转换，二阶导数不连续等复杂空间型面特征。通过对五轴加工中心试切的“S”形试件进行轮廓度、波纹度、粗糙度检测评估，来评价机床的加工精度，因“S”形试件空间型面特征复杂，导致波纹度、粗糙度测量困难，所以需要由专用的装卡工作台配合微观轮廓检测仪完成测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种与轮廓检测仪配合使用的三自由度S形试件装卡工作台，用于对复杂曲面造型的S形试件进行波纹度、粗糙度等参数的综合测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于测量S形试件的装卡工作台，安装于用于检测S形试件波纹度和粗糙度的微观轮廓检测仪的工作平台，由从下到上依次设置的X轴平移台、Y轴平移台和Y轴转台构成，所述X轴平移台、Y轴平移台和Y轴转台上分别安装有第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，X轴平移台和Y轴平移台的上表面分别设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽内设有与所述第一伺服电机相连的带有丝杠螺母的第一丝杠，所述第一丝杠的两侧分别设有第一导轨和第二导轨；

所述Y轴平移台的底部设有与所述第一丝杠相连的第一连接孔，所述第一连接孔的两侧分别设有与所述第一导轨和第二导轨相连接的底托，所述第二凹槽内设置有与所述第一丝杠相垂直的第二丝杠，所述第二丝杠的一端与所述第二伺服电机相连，第二丝杠的两侧分别设有第三导轨和第四导轨；

所述Y轴转台的底部设有与所述第二丝杠相连的第二连接孔，所述第二连接孔的两侧分别设有与所述第三导轨和第四导轨相连接的底托，所述Y轴转台的一侧设有与所述第三伺服电机相连的蜗杆，Y轴转台的中部设有与所述蜗杆相啮合的回转支承轴承，所述回转支撑轴承上连接有用于卡接S形试件的卡盘。

所述第一丝杠和第二丝杠的两端均安装有轴承。

所述Y轴平移台在X轴方向上的平移范围为0-100mm。

所述Y轴转台在Y轴方向上的平移范围为0-50mm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

由于S形试件曲率变化复杂，“S”曲面有开角闭角之分，普通微观轮廓检测仪难以探入测量，现有的检测方法是通过电火花切割S形试件来分块测量，本发明中通S形试件装卡工作台和微观轮廓检测仪相互配合，可以在不切割的情况下进行波纹度、粗糙度的测量。从而保证S形试件的完整，并大大提高了测量效率。

附图说明

图1是S形试件的结构示意图。

图2是微观轮廓检测仪的结构示意图。

图3是为本发明装卡工作台和微观轮廓检测仪配合使用的示意图。

图4是本发明的结构示意图。

图5是图4中X轴平移台的结构示意图。

图6是图5中第一伺服电机与第一丝杠的连接示意图。

图7是Y轴平移台的结构示意图。

图8是Y轴转台的结构示意图。

图9是S形试件波纹度和粗糙度的采样方向示意图。

图10是“S”曲线波纹度和粗糙度的采样位置示意图。

图11是“S”曲面波纹度和粗糙度的采样位置示意图。

图12是“S”曲面波纹度和粗糙度的采样区域示意图。

图13是微观轮廓检测仪的传感器采样方式示意图。

附图标记：1-工作平台2-驱动箱3-传感器4-X轴平移台5-Y轴平移台6-Y轴转台40-第一凹槽41-第一丝杠42-丝杠螺母43-第一导轨44-第二导轨45-第一伺服电机50-第二伺服电机51-第二凹槽52-第二丝杠53-第三导轨54-第四导轨55-底托60-第三伺服电机61-蜗杆62-回转支承轴承63-卡盘64-第二连接孔65-底托

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1至图8所示，一种用于测量S形试件的装卡工作台，安装于用于检测S形试件波纹度和粗糙度的微观轮廓检测仪的工作平台1上，微观轮廓检测仪主要包括驱动箱2、传感器3和电动立柱；S形试件的装卡工作台由从下到上依次设置的X轴平移台4、Y轴平移台5和Y轴转台6构成，X轴平移台4、Y轴平移台5和Y轴转台6上分别安装有第一伺服电机45、第二伺服电机50和第三伺服电机60，X轴平移台4和Y轴平移台5的上表面分别设有第一凹槽40和第二凹槽51，第一凹槽40内设有与第一伺服电机45相连的第一丝杠41，第一丝杠41的两端加装轴承，第一丝杠41上设有用于与Y轴平移台5相连的丝杠螺母42，第一丝杠41的两侧分别设有第一导轨43和第二导轨44；第一导轨43和第二导轨44均由光滑杆件构成。

Y轴平移台5的底部设有用于穿设第一丝杠41的第一连接孔，第一连接孔的四周设有螺栓孔并与丝杠螺母42螺栓连接，第一连接孔的两侧分别设有与所述第一导轨和第二导轨相连接的底托55，第二凹槽51内设置有在方向上与第一丝杠41相垂直的第二丝杠52，第二丝杠52的两端也加装有轴承，第二丝杠52的一端与第二伺服电机50相连，第二丝杠52的两侧分别设有第三导轨53和第四导轨54；第三导轨53和第四导轨54均由光滑杆件构成。

Y轴转台6的底部设有用于穿设第二丝杠52的第二连接孔64，第二连接孔64的两侧分别设有与第三导轨53和第四导轨54相连接的底托65，Y轴转台6的一侧设有与第三伺服电机60相连的蜗杆61，Y轴转台6的中部设有与蜗杆61相啮合的回转支承轴承62，回转支承轴承62通过螺栓与Y轴转台6固定，回转支承轴承62的外圈设有用于与蜗杆61相啮合的齿，回转支撑轴承62上连接有用于卡接S形试件的卡盘63。

本实施例中微观轮廓检测仪选用的是哈尔滨量具刃具集团有限责任公司生产的2300A-R型，并在其基础上将传感器方向做了改动。

具体实施步骤如下：

(1)确定检测需求

S形试件加工过程包括连续变轴加工，验证机床开、闭角转换时的性能，更好的反映多轴联动加工中各运动部件的综合精度和动态响应特性，所以主轴跳动，刀具切削振动，各线性轴、摆角轴的反向间隙等机床动态精度问题往往会体现在S形试件表面质量相关指标上。所以对于S形试件整个曲面进行较完整、较全面的波纹度、粗糙度检测就十分有必要。

由于加工采用侧铣方式进行，形成的刀具振纹与组成S形试件曲面的“S”缘条垂直，波纹度粗糙度的采样方向选择与刀具振纹相垂直的方向，如图9所示，更能反映加工动态精度对S形试件表面质量的影响效果。

(2)检测位置规划

五轴加工中心在加工复杂自由曲面——“S”形曲面时，因为“S”形曲面具有开闭角、大曲率变化等特性，导致机床加工过程中需要以多轴联动配合完成不同位置所需的不同加工姿态，过程中各轴的加速度变换也会随着曲率的变化而不断变化对机床产生冲击，所以在检测时为了综合全面的考察五轴加工中心在加工S形试件各个位置的位姿下的加工精度，本实施例中的检测位置采用了等弧长均布的方式，即采样位置中心之间间隔弧长相等，如图10所示，采用该种方法可以通过增加采样位置的方法更加完整的对S形试件的表面质量进行评测；同时分别在三条母线进行检测，如图11所示，反映了切削工艺系统不同切深位置的刚度对于试件表面质量的影响。

(3)检测难点

测量中难点集中在图12中检测区域e，如果不对S形试件进行切割，测量仪探针难以探入测量。虽然如图12中所示，本实施例中采用的微观轮廓检测仪的传感器可以作90°的旋转，以便横向测量，如图13所示，解决“S”曲面内凹处无法测量的问题。

(4)本发明装卡工作台的作用

可以转向90°的传感器虽然解决了S形试件内凹部分无发测量的问题，但由于测量过程中需要保证传感器传动丝杠精度，驱动箱只能水平放置，但测量要求沿“S”形缘条方向测量，所以装卡工作台需要沿Y轴旋转的自由度，检测过程中S形试件经过旋转后，传感器可以沿着水平方向测量；S形试件检测要求多母线测量保证测量较完整地反映S形试件，所以装卡工作台需要有沿Y轴平动的自由度；本实施例中S形试件的测量全长超过672mm，X轴方向的测量跨距超过200mm，所以在增加旋转自由度后，转台仍需要X轴方向的平动自由度，来弥补只有120mm长度的轮廓仪驱动箱X轴方向传动距离。因此，本发明中S形装卡工作台为带有X轴方向平移100mm，Y轴方向平移50mm，绕Y轴方向旋转360°自由度的装卡工作台，如图4所示。

(5)坐标系转换与运动位移计算

在检测中运动状态从传感器依次通过微观轮廓检测仪驱动箱，电动立柱，工件经过绕Y轴转动，转台X,Y轴平动，转换到同一坐标系下，即大地坐标系。

T₁T₂T₃[p_x p_y p_z 1]^T＝T₄T₅[t_x t_y t_z 1]^T (1)

其中T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,为坐标转换矩阵。

$\begin{array}{c}{T}_1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& m_x\\ 0& 1& 0& m_y\\ 0& 0& 1& m_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_2=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& r_x\\ 0& 1& 0& r_y\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],\\ T_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& l_x\\ 0& 1& 0& l_y\\ 0& 0& 1& l_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_5=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& r_x\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& r_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

公式T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,中，T₁,T₃,T₄,T₅为平移矩阵，T₂为旋转矩阵，(p_x,p_y,p_z)代表工件坐标系下测点的位置坐标，(t_x,t_y,t_z)代表微观轮廓检测仪的测头坐标系下测点的位置，在测头坐标系下测点的位置坐标为(0,0,0)；(m_x,m_y,m_z)为S形试件中心坐标系与转台转盘回转坐标系的距离；θ是待测量位置弧首位连线由初始位置到处于水平位置需要旋转的角度，即转台转盘需要旋转的角度值；r_x,r_y分别代表装卡工作台X,Y轴方向的位移量；t_x,t_z分别代表微观轮廓检测仪驱动箱的平动位移与电主轴的平动距离，(l_x,l_y,l_z)代表测头传感器坐标系原点与大地坐标系原点的距离。

简化(1)式可得：

$\left[\begin{array}{c}{p}_{x}cos\mathrm{\θ}+p_{z}sin\mathrm{\θ}+w_{x}cos\mathrm{\θ}+m_x\\ p_y+w_y\\ -p_{x}sin\mathrm{\θ}+p_z\cos \mathrm{\θ}-w_{x}sin\mathrm{\θ}+m_z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{l}_x+k_x\\ l_y\\ l_z+k_z\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中m_x,m_y,m_z,l_x,l_y,l_z为已知量，θ可通过计算获得，w_y可以直接由(2)式求得，并求得w_x,r_x,r_z的关系式，通过设定工件x方向平移位移，可以求得r_x,r_z。

(6)检测

首先根据测量需要选择传感器，使用标准样块对微观轮廓检测仪进行校准，将S形试件装夹在卡盘上，使S形试件中心与转台回转中心重合。通过手动操作使传感器测针与S形试件表面接触，并找准第一个检测位置的转盘转角与轮廓仪传感器位置，从而建立测量坐标系，之后通过步骤(2)得到的检测位置与步骤(5)计算得到的装卡工作台运动位移，依次完成各个测量位置的波纹度或粗糙度测量，最终完成测量。

Claims (4)

1.一种用于测量S形试件的装卡工作台，安装于用于检测S形试件波纹度和粗糙度的微观轮廓检测仪的工作平台，其特征在于，由从下到上依次设置的X轴平移台、Y轴平移台和Y轴转台构成，所述X轴平移台、Y轴平移台和Y轴转台上分别安装有第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，X轴平移台和Y轴平移台的上表面分别设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽内设有与所述第一伺服电机相连的带有丝杠螺母的第一丝杠，所述第一丝杠的两侧分别设有第一导轨和第二导轨；

所述Y轴平移台的底部设有与所述第一丝杠相连的第一连接孔，所述第一连接孔的两侧分别设有与所述第一导轨和第二导轨相连接的底托，所述第二凹槽内设置有与所述第一丝杠相垂直的第二丝杠，所述第二丝杠的一端与所述第二伺服电机相连，第二丝杠的两侧分别设有第三导轨和第四导轨；

所述Y轴转台的底部设有与所述第二丝杠相连的第二连接孔，所述第二连接孔的两侧分别设有与所述第三导轨和第四导轨相连接的底托，所述Y轴转台的一侧设有与所述第三伺服电机相连的蜗杆，Y轴转台的中部设有与所述蜗杆相啮合的回转支承轴承，所述回转支撑轴承上连接有用于卡接S形试件的卡盘。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量S形试件的装卡工作台，其特征在于，所述第一丝杠和第二丝杠的两端均安装有轴承。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量S形试件的装卡工作台，其特征在于，所述Y轴平移台在X轴方向上的平移范围为0-100mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量S形试件的装卡工作台，其特征在于，所述Y轴转台在Y轴方向上的平移范围为0-50mm。