CN107014333A - 中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置及方法。所述装置包括中小口径柱形元件微小孔加工装置和在位检测装置；所述方法利用中小口径柱形元件微小孔加工装置，作为被加工零件测量时的控制装置，在测量时对被加工零件进行夹持、旋转和移动，从而避免的二次夹装带来的误差和零件损伤；同时配合使用灵敏度高的力传感器作为信号反馈元件，在转台的转动和X向导轨副的移动下得到高的测量精度；采用气体静压导轨副X向导轨副的移动可实现微小孔直径大小的高精度测量；通过使用高精度气体静压转台，可实现微小孔圆度、圆柱度的高精度检测；通过数据的结合处理能够对检测数据进行二维、三维误差评定，提高了微小孔的加工效率和加工精度。

Description

中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微小孔在位精密测量，具体为中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置及方法。

背景技术

随着电子通讯、航空航天、国防工业、医疗器械等领域的迅猛发展，所应用的核心零部件正逐步向微型化、精密化方向推进，带动了我国超精密加工技术的发展，但对这些零部件的精密测量提出了很高的要求，尤其是以中小口径柱形元器件微小孔的测量问题最为突显。目前所有对微小孔大小和形状进行测量和观测的方法都有明显的不足：三坐标测量机测量方法，需要将零件加工完成后拿到三坐标测量机上面进行检测，一方面增加了二次装夹过程，会引入装夹误差，另一方面增加了额外的检测时间，费时费力，并且对于直径小于3mm的微小孔来说，三坐标测量机难以进行检测；白光干涉测量方法，该方法只能对微小孔的直径和圆度进行测量，而无法对圆柱度进行测量；孔径测量仪测量法，该方法适合在加工时使用，但测量精度偏低，并且无法测量微小孔的形状精度。在微小孔加工过程中，如果测量结果误差较大，则会造成高的废品率和低的加工一致性，这对于零部件超精密加工领域的发展是极其不利的。因此，需要开发一种针对中小口径柱形元件微小孔在位精密测量的装置和测量方法，以解决当前对微小孔测量精度误差较大的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置及方法，能够在位测量，不存在二次夹装，测量过程简单，测量效率高，可减少人为测量误差，测量精度高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，包括中小口径柱形元件微小孔加工装置和在位检测装置；

所述的中小口径柱形元件微小孔加工装置包括X向导轨副，转台，沿Z轴方向设置的主轴和刀具，以及用于柱形元件夹装的夹具；夹具同轴固定在转台上，转台固定在X向导轨副上；转台用于带动柱形元件在加工和测量时的Z向转动，X向导轨副用于带动柱形元件在加工和测量时的X向移动；

所述的在位检测装置包括Z向导轨副，与主轴轴向平行设置的分节气缸，以及依次连接在分节气缸伸出端的力传感器和检测球头；分节气缸通过气缸固定座与Z向导轨副连接；力传感器的输出端连接用于检测数据采集和处理的数据采集系统。

优选的，所述的夹具通过夹具连接板固定在转台上，转台通过下方设置的转台驱动装置安装在X向导轨副上。

优选的，所述检测球头直径为0.5～1mm，检测球头的Z向轴线在X向导轨副运动方向上通过柱形元件的回转中心。

优选的，所述力传感器其测量灵敏度小于20mN，测量范围为±5N。

优选的，所述转台为超精密气体静压转台，其回转精度小于50nm。

优选的，所述转台驱动装置包括用于驱动转台旋转的力矩电机和用于控制转台旋转角度的编码器。

优选的，所述X向导轨副采用气体静压导轨副。

中小口径柱形元件微小孔在位精密测量方法，基于本发明所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，包括以下步骤，

步骤1，在中小口径柱形元件微小孔的加工过程中需要对微小孔进行测量时，升起刀具主轴，移动X向导轨副横向移动，使检测球头的Z向轴线与转台回转中心重合；

步骤2，启动分节气缸，伸出检测球头，并移动Z向导轨副使检测球头位于待检柱形元件的微小孔内；

步骤3，移动X向导轨副使检测球头与柱形元件微小孔的一侧孔壁相接触，采集此时检测球头的X坐标位置，然后移动X向导轨副至柱形元件微小孔的另一侧孔壁，采集此时检测球头的坐标位置，通过计算可得到X向导轨副移动的距离，加上检测球头直径即可得到柱形元件微小孔的孔径大小；

步骤4，移动X向导轨副使检测球头与柱形元件微小孔的一侧孔壁相接触时，保持X向导轨副不动，启动转台，同时开始采集数据，设置每转采集点的个数，通过数据采集系统对数据进行处理，得到检测圆周的形状精度，即微小孔检测圆周的圆度；

步骤5，移动Z向导轨副至柱形元件微小孔的不同深度，通过重复步骤3和4两步骤，获得不同深度的孔径以及圆度，通过数据处理得到柱形元件6微小孔的圆柱度；

步骤6，使用数据采集系统对步骤、步骤和步骤的测量结果进行数据处理，得到柱形元件微小孔的二维或三维误差评定结果，完成中小口径柱形元件微小孔在位精密测量。

优选的，步骤3和步骤4中，移动X向导轨副使检测球头向柱形元件微小孔孔壁运动，当力传感器检测到的接触力达到设定值时，X向导轨副停止运动，保持检测球头与柱形元件微小孔孔壁的接触。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用中小口径柱形元件微小孔加工装置，作为被加工零件测量时的控制装置，在测量时对被加工零件进行夹持、旋转和移动，从而避免的二次夹装带来的误差和对零件的损伤；同时配合使用灵敏度高的力传感器作为信号反馈元件，在转台的转动和X向导轨副的移动下得到高的测量精度；由分节气缸可实现伸缩功能，避免检测装置受到损害；由采用气体静压导轨副X向导轨副的移动可实现微小孔直径大小的检测，保证直径的高精度测量；通过使用高精度气体静压转台，可实现微小孔圆度、圆柱度的高精度检测；通过数据的结合处理能够对检测数据进行二维、三维误差评定，补偿加工工序，从而提高了微小孔的加工效率和加工精度。本发明测量过程简单，测量效率高，可减少人为测量误差，测量精度高；从而能够根据测量结果，补偿加工工序，进行再次优化加工，直至加工出合格的元件。

附图说明

图1是本发明实例中所述微小孔精密测量装置的结构示意图。

图2是本发明实例中所述微小孔不同截面测量示意图。

图3是本发明实例中所述微小孔同一圆周不同位置测量示意图。

图中：1、X向导轨副，2、转台驱动装置，3、转台，4、夹具连接板，5、夹具，6、柱形元件，7、检测球头，8、力传感器，9、分节气缸，10、气缸固定座，11、刀具，12、主轴，13、力传感器传输线，14、数据采集系统。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置及方法，通过机床自身气体静压导轨副高精度的导向和驱动系统，以及气体静压转台高精度的回转系统，利用精密测量装置对柱形元件中心微小孔的尺寸和形状精度进行检测，柱形元件装夹在转台部件上，测量装置安装在气缸底部，可进行伸缩运动，使得检测球头Z向轴线能够在X向导轨副运动方向上通过柱形元件的回转中心。通过X向导轨副、转台、伸缩气缸、Z向导轨副等配合运动，实现柱形元件微小孔的二维和三维误差评定，通过测量得到微小孔的直径和圆度以及圆柱度，并通过数据采集系统进行数据处理。

具体的如图1、图2和图3所示，一种中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，包括检测球头7、力传感器8、分节气缸9、气缸固定座10、力传感器传输线13、数据采集系统14、柱形元件6、夹具5、夹具连接板4、转台3、转台驱动装置2、X向导轨副1。所述检测球头7与力传感器8连接，固定在分节气缸9底端；所述分节气缸9依靠气缸固定座10与Z向导轨副连接；所述数据采集系统14通过力传感器传输线13与力传感器8连接，实现检测数据的采集和处理；所述柱形元件6由夹具5装夹，并通过夹具连接板4安装在转台3上；所述转台3与转台驱动装置2连接安装在X向导轨副1上；所述X向导轨副1能够实现高精度的横向运动。

其中，检测球头7直径为0.5～1mm，检测球头7的Z向轴线在X向导轨副1运动方向上通过柱形元件6的回转中心。力传感器8的测量灵敏度小于20mN，测量范围为±5N，当检测球头7与孔壁接触的压力达到设定值时，X向导轨副1可停止运动，从而能够保护检测球头7。

分节气缸9可实现伸缩功能，当被加工元件处于加工状态时，分节气缸收缩，使检测装置远离加工区，避免检测装置受到损坏；当被加工元件处于检测状态时，分节气缸伸长，使检测球头7能够与被检元件接触。数据采集系统14可对检测的数据进行二维或三维误差评定，并输出测量结果。

转台3为超精密气体静压转台，其回转精度小于50nm。驱动装置2由力矩电机和编码器组成，可以实现转台转速和转角的控制。X向导轨副1为气体静压导轨副，可以实现被加工元件的横向精密移动。

中小口径柱形元件微小孔加工时采用中小口径柱形元件微小孔加工装置，其包括X向导轨副1，转台3，沿Z轴方向设置的主轴12和刀具11，以及用于柱形元件6夹装的夹具5；夹具5同轴固定在转台3上，转台3固定在X向导轨副1上；转台3用于带动柱形元件6在加工和测量时的Z向转动，X向导轨副1用于带动柱形元件6在加工和测量时的X向移动；

加工时，刀具7高速旋转，转台3低速旋转，两者旋转方向相反，通过X向导轨副1的向左或向右移动，完成中小口径柱形元件微小孔加工。加工后或者加工过程中需要测量时，采用本发明一种中小口径柱形元件微小孔在位精密测量方法，依次包括以下步骤：

a).在中小口径柱形元件微小孔的加工过程中需要对微小孔进行测量时，升起刀具主轴12，移动X向导轨副1向右移动，使检测球头7的Z向轴线与转台3回转中心重合；

b).启动分节气缸9，伸出检测球头7，并移动Z向导轨副使检测球头7位于待检柱形元件6的微小孔内；

c).移动X向导轨副1使检测球头7与柱形元件6右孔壁相接触，采集此时的X坐标位置，然后移动X向导轨副1至柱形元件6左孔壁处，采集此时的坐标位置，通过计算可得到X向导轨副1移动的距离，加上检测球头7直径即可得到柱形元件6微小孔的孔径大小；

d).保持X向导轨副1不动也就是保持检测球头7与孔壁的接触状态，启动转台3，同时开始采集数据，可设置每转采集点的个数，通过数据采集系统14对数据进行处理，可得到检测圆周的形状精度，即微小孔检测圆周的圆度；

e).移动Z向导轨副至柱形元件6微小孔的不同深度，通过重复c)、d)两步骤，可获得不同深度的孔径以及圆度，通过数据处理可得到柱形元件6微小孔的圆柱度；

f).使用数据采集系统14对测量结果进行数据处理，可得到柱形元件6微小孔的二维或三维误差评定结果，补偿加工工序，进行再次加工，直至加工出合格的元件。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应在本发明涵盖的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于，包括中小口径柱形元件微小孔加工装置和在位检测装置；

所述的中小口径柱形元件微小孔加工装置包括X向导轨副(1)，转台(3)，沿Z轴方向设置的主轴(12)和刀具(11)，以及用于柱形元件(6)夹装的夹具(5)；夹具(5)同轴固定在转台(3)上，转台(3)固定在X向导轨副(1)上；转台(3)用于带动柱形元件(6)在加工和测量时的Z向转动，X向导轨副(1)用于带动柱形元件(6)在加工和测量时的X向移动；

所述的在位检测装置包括Z向导轨副，与主轴(12)轴向平行设置的分节气缸(9)，以及依次连接在分节气缸(9)伸出端的力传感器(8)和检测球头(7)；分节气缸(9)通过气缸固定座(10)与Z向导轨副连接；力传感器(8)的输出端连接用于检测数据采集和处理的数据采集系统(14)。

2.根据权利要求1所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于，所述的夹具(5)通过夹具连接板(4)固定在转台(3)上，转台(3)通过下方设置的转台驱动装置(2)安装在X向导轨副(1)上。

3.根据权利要求1所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于，所述检测球头(7)直径为0.5～1mm，检测球头(7)的Z向轴线在X向导轨副(1)运动方向上通过柱形元件(6)的回转中心。

4.根据权利要求1所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于，所述力传感器其测量灵敏度小于20mN，测量范围为±5N。

5.根据权利要求1所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于，所述转台(3)为超精密气体静压转台，其回转精度小于50nm。

6.根据权利要求1所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于：所述转台驱动装置(2)包括用于驱动转台旋转的力矩电机和用于控制转台旋转角度的编码器。

7.根据权利要求1所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，其特征在于：所述X向导轨副(1)采用气体静压导轨副。

8.中小口径柱形元件微小孔在位精密测量方法，其特征在于，基于权利要求1-7中任意一项所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量装置，包括以下步骤，

步骤1，在中小口径柱形元件微小孔的加工过程中需要对微小孔进行测量时，升起刀具主轴(12)，移动X向导轨副(1)横向移动，使检测球头(7)的Z向轴线与转台(3)回转中心重合；

步骤2，启动分节气缸(9)，伸出检测球头(7)，并移动Z向导轨副使检测球头(7)位于待检柱形元件(6)的微小孔内；

步骤3，移动X向导轨副(1)使检测球头(7)与柱形元件(6)微小孔的一侧孔壁相接触，采集此时检测球头(7)的X坐标位置，然后移动X向导轨副(1)至柱形元件(6)微小孔的另一侧孔壁，采集此时检测球头(7)的坐标位置，通过计算可得到X向导轨副(1)移动的距离，加上检测球头(7)直径即可得到柱形元件(6)微小孔的孔径大小；

步骤4，移动X向导轨副(1)使检测球头(7)与柱形元件(6)微小孔的一侧孔壁相接触时，保持X向导轨副(1)不动，启动转台(3)，同时开始采集数据，设置每转采集点的个数，通过数据采集系统(14)对数据进行处理，得到检测圆周的形状精度，即微小孔检测圆周的圆度；

步骤5，移动Z向导轨副至柱形元件(6)微小孔的不同深度，通过重复步骤3和4两步骤，获得不同深度的孔径以及圆度，通过数据处理得到柱形元件6微小孔的圆柱度；

步骤6，使用数据采集系统(14)对步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的测量结果进行数据处理，得到柱形元件(6)微小孔的二维或三维误差评定结果，完成中小口径柱形元件微小孔在位精密测量。

9.根据权利要求8所述的中小口径柱形元件微小孔在位精密测量方法，其特征在于，步骤3和步骤4中，移动X向导轨副(1)使检测球头(7)向柱形元件(6)微小孔孔壁运动，当力传感器(8)检测到的接触力达到设定值时，X向导轨副(1)停止运动，保持检测球头(7)与柱形元件(6)微小孔孔壁的接触。