CN108680124B - 形状公差光电检测机器人及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状公差光电检测机器人及其测量方法，包括自适应测头、激光发射器、三坐标移动装置、信号接收装置和数据采集及控制装置；所述三坐标移动装置包括两平行设置的X轴、一Y轴、一Z轴、分别与所述X、Y、Z轴连接的X、Y、Z轴电机以及分别设于所述X、Y、Z轴上的X、Y、Z轴导轨所述Z轴通过Y轴导轨设于所述Y轴上，所述Z轴一端设有Z轴电机，且所述Z轴电机通过一L形连杆与所述信号接收装置相连接；所述激光发射器设于所述自适应测头上且与所述信号接收装置相对应。本发明能够实现对形状光电的高精度、连续的、自适应在线测量。

Description

形状公差光电检测机器人及检测方法

技术领域

本发明属于形状光电检测技术领域，具体涉及一种形状公差光电检测机器人及检测方法。

背景技术

形状公差测量是评定零件精度的重要基础。直线度、平面度是零件表面的几何形状公差,在工业生产活动中被广泛地应用，其形状误差的限定保证了产品的质量和零件的互换性能。

直线度误差主要是圆柱体和圆锥体的轮廓素线、以及机床等其他机器的导轨面上某一方向上直线度偏差。平面度误差是被测实际表面与理想平面之间的线值距离。

目前，直线度常见的测量方法有直尺法、光学准直法、重力法和直线法等。直尺法是直接利用直尺量具手动测量直线度偏差的一种方法，其操作简单，使用方便，但因人工操作，精度偏低。光学准直法主要用望远系统测量直线度误差，利用准直光管光轴与望远镜反射光轴倾斜角度，经数据处理后获得的偏离值即可得到直线度误差。光学准直法精度比直尺测量法高，但不易达到很高精度，尤其测量范围越大，偏差越大。重力法利用液体自动保持水平或重物自动保持铅直的重力现象测量直线度，常用的量仪是水平仪，也有利用液体的水平面作为测量面与被测面比较来测量直线度误差的误差。重力法操作简单，使用方便，但精度较低，数据采集和整理较难，测量水平面内直线度困难。直线法利用钢丝和激光束等测量直线度。利用钢丝测量车床导轨的直线度误差时，移动溜板，可从安装在溜板上的读数显微镜中读出导轨各点偏离钢丝的数值。直线法只可检测导轨在水平面内的直线度误差，适用范围窄。

从上可以看出，目前直线度的测量方法广泛应用于现代工业产品的几何量检测中，但现存方法在检测过程中大都需要手动调节检测装置，检测数据无法连续测得，无法形成有效的连续的直线度测量评价。

平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度的几何公差测量亦是如此。

为此需要一种基于光电检测技术的高精度、连续的、自适应在线测量装置，用于精密仪器表面直线度等形状公差参数的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种直线度、平面度等形状公差光电检测机器人及检测方法，以解决直线度、平面度形状公差的在线检测和快速评定。

本发明提供了如下的技术方案：

一种形状公差光电检测机器人，包括自适应测头、激光发射器、三坐标移动装置、信号接收装置和数据采集及控制装置；

所述三坐标移动装置包括两平行设置的X轴、一Y轴、一Z轴、分别与所述X、Y、Z轴连接的X、Y、Z轴电机以及分别设于所述X、Y、Z轴上的X、Y、Z轴导轨；所述两X轴通过连杆连接，所述连杆的一端设有X轴电机；

所述两X轴与所述连杆的连接处均设有联轴器；

所述Y轴分别通过两带固定件的X轴导轨设于所述两X轴上，并且一端设有Y轴电机；

所述Z轴通过Y轴导轨设于所述Y轴上，所述Z轴一端设有Z轴电机，且所述Z轴电机通过一L形连杆与所述信号接收装置相连接；

所述自适应测头通过Z轴导轨设于所述Z轴上，所述激光发射器设于所述自适应测头上且与所述信号接收装置相对应；

所述数据采集及控制装置用于接收来自所述信号接收装置上的信号以及控制所述三坐标移动装置和所述信号接收装置在所述Y轴上的位移。

进一步的，所述自适应测头包括测头、测头杆、箱体、弹簧和盖体，所述测头杆与所述箱体相连，所述测头设于所述测头杆纵向的中心线上，所述箱体内设有弹簧，所述箱体上设有盖体。

进一步的，所述信号接收装置包括连接件，所述连接件包括水平设置的第一面板和与所述第一面板相垂直的第二面板，所述第二面板与所述激光发射器相对应，所述第二面板上设有第二调节平台，所述第二调节平台上设有四象限光电位置探测面板；所述四象限光电位置探测面板用于接收来自所述激光发射器的信号；所述第一面板与所述L形连杆相连接，且所述第一面板上设有第一调节平台。

进一步的，所述第一调节平台，包括第一平台、X轴向调节杆和Y轴向调节杆，所述第一平台设于所述第一面板靠近地面的一侧，所述第一平台上设有X轴向调节杆和Y轴向调节杆。

进一步的，所述第二调节平台，包括第二平台、Z轴向调节杆，所述第二平台设于第二面板上与所述激光发射器靠近的一侧，所述第二平台上设有Z轴向调节杆。

进一步的，所述数据采集及控制装置包括采集单元和控制单元；所述采集单元包括集成PSD偏置电压的高速18位AD芯片、RS232、RS485和USB接口；所述控制单元包括PLC，所述PLC分别与所述三坐标移动装置的X、Y、Z轴电机相连接。

一种形状公差光电检测方法，包括如下步骤：

S1、将被测工件置于检测装置测量区域内部；

S2、控制三坐标移动装置使得自适应测头置于被测零件初始位置，此时自适应测头的弹簧处于一定压缩状态；

S3、激光发射器置于开启状态，发出点状光斑，调节第一调节平台和第二调节平台，使光斑置于四象限光电位置探测面板中心，通过数据采集及控制装置监测、对中；

S4、控制X、Y、Z轴电机按被测几何要素运动，记录运动轨迹和数据；

S5、按对应数学模型完成数据处理和评定，得出评定结果。

测量直线度时，S5所述的数学模型为：

假设m、n、k为测量过程记录测量点序号；而Ym、Yn、Yk分别为测点m、n、k相对于测量基准的读数，且m、n为高/低点，k为低/高点，则最小条件的直线度评定公式为2.2：

本发明的有益效果是：

通过典型三坐标行走机构沿被测零件表面运动，安装于Z轴的激光发射装置发出激光并照射到可移动的四象限PSD同步板靶，信号经电路放大和实时采集，上位机记录当前数值并实时显示。与现有测量装置相比，本发明可以实现直线度、平面度形状公差的在线检测和快速评定。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是形状公差光电检测机器人示意图；

图2是自适应测头和激光发射器结构示意图；

图3是信号接收装置结构示意图；

图4是零件表面直线度测量示意图；

图5是直线度公差最小包容区域法示意图；

图6是顺序法示意图；

图7是平面度误差示意图；

图8是平面度最小条件判别准则-三角形准则；

图9是平面度最小条件判别准则-交叉准则；

图10是圆柱度测量示意图；

图11是圆度测量示意图；

图12是线轮廓度测量示意图。

具体实施方式

如图1至图12所示，一种形状公差光电检测机器人，包括自适应测头1、激光发射器2、三坐标移动装置3、信号接收装置4和数据采集及控制装置5；

三坐标移动装置3包括两平行设置的X轴、一Y轴、一Z轴、分别与X、Y、Z轴连接的X、Y、Z轴电机以及分别设于X、Y、Z轴上的X、Y、Z轴导轨；两X轴通过连杆连接，连杆的一端设有X轴电机；

两X轴与连杆的连接处均设有联轴器；

Y轴通过两带固定件的X轴导轨设于所述两X轴上，并且一端设有Y轴电机；

Z轴通过Y轴导轨设于Y轴上，Z轴一端设有Z轴电机，且Z轴电机通过一L形连杆与信号接收装置相连接；

自适应测头1通过Z轴导轨设于Z轴上，激光发射器2设于自适应测头1上且与信号接收装置4相对应；

数据采集及控制装置5用于接收来自所述信号接收装置4上的信号以及控制三坐标移动装置3和信号接收装置4在Y轴上的位移。

自适应测头1包括测头101、测头杆105、箱体102、弹簧103和盖体104，测头杆105与箱体102相连，测头101设于测头杆105纵向的中心线上，箱体102内设有弹簧103，弹簧103初始阶段处于压缩状态，箱体102上设有盖体104。

信号接收装置4包括连接件，连接件包括水平设置的第一面板401和与第一面板401相垂直的第二面板402，第二面板402与激光发射器2相对应，第二面板402上设有第二调节平台421，第二调节平台421上设有四象限光电位置探测面板422；第一面板401与L形连接杆相连接，且第一面板上401设有第一调节平台411。

第一调节平台411包括第一平台、X轴向调节杆和Y轴向调节杆，第一平台设于第一面板靠近地面的一侧，第一平台上设有X轴向调节杆和Y轴向调节杆。

第二调节平台421，包括第二平台、Z轴向调节杆，第二平台设于第二面板402上与激光发射器2靠近的一侧，第二平台上设有Z轴向调节杆。

数据采集及控制装置5包括采集单元和控制单元；采集单元包括集成PSD偏置电压的高速18位AD芯片、RS232、RS485和USB接口；控制单元包括PLC，PLC分别与三坐标移动装置3的X、Y、Z轴电机相连接。

一种形状光电检测方法，包括如下步骤：

S1、将被测工件置于检测装置测量区域内部；

S2、控制三坐标移动装置使得自适应测头置于被测零件初始位置，此时自适应测头的弹簧处于一定压缩状态；

S3、激光发射器置于开启状态，发出点状光斑，调节第一调节平台和第二调节平台，使光斑置于四象限光电位置探测面板中心，通过数据采集及控制装置监测、对中；

S4、控制X、Y、Z轴电机按被测几何要素运动，记录运动轨迹和数据；

S5、按对应数学模型完成数据处理和评定，得出评定结果。

测量直线度时，S5所述的数学模型为：

假设m、n、k为测量过程记录测量点序号；而Ym、Yn、Yk分别为测点m、n、k相对于测量基准的读数，且m、n为高/低点，k为低/高点，则最小条件的直线度评定公式为2.2：

如图2所示，自适应测头1整体通过Z轴导轨固定于三坐标移动装置3的Z轴方向，与测头101相连的测头杆105一端置于箱体内部，上端套有压缩弹簧。测量前，调整三坐标移动装置3的Z轴电机使测头101紧贴被测零件表面，测头101处于一定张紧状态。测量时，测头101开始在零件表面运动。此时，在Z轴方向上测头101因为弹簧103收缩会跟随被测零件表面轮廓上下运动，置于测头杆105一端的激光发射器2发射激光到信号接收装置4上，从而可以测出零件表面的当前位置。

激光发射器2采用功率为5mv，在10m范围内可以发射Φ6mm的点状光斑的通用激光器件。工作时发出点状光斑投射于可移动的信号接收装置4的四象限光电位置探测面板422上。

测量时，通过控制三坐标移动装置3可以使测头101在被测工件表面或上方精确移动，带动测头101走过被测零件表面轮廓。

信号接收装置4采用四象限光电位置探测面板，接收激光信号，四象限光电位置探测面板置于手动XYZ调节平台一侧，通过支架与Y向滑轨固定，测量时信号接收器可在Y轴上精确移动，如图4所示。

四象限光电位置探测面板作为一种常用的位置敏感器件(Position SensitiveDetector,PSD),是通过光刻把一个圆形光敏面分割成面积相等、形状相同、位置对称的四个相互隔离的区域(象限),并分别镀上前极,引出输出线,而后极则仍为一个整片。实际上每个区域相当于一个光电探测器,在理想状态下每个区域的暗电流应相等。当入射光点落在器件感光面的不同位置时,四象限光电位置探测面板的每个象限输出不同幅度的电信号,通过对这些信号的幅度进行计算,可以确定入射光斑中心在感光面上的位置。

数据采集单元主要完成激光器发射到四象限光电探测器上的光信号采集，该单元可提供RS232、RS485、USB接口，采用高速18位AD芯片，内部集成高精密PSD偏置电压，可处理一维、二维PSD位置传感器(四象限光电位置探测面板)的光电信号。

控制单元采用西门子S7-12OOPLC通过编制程序驱动电机完成三坐标移动装置3在零件表面的行走以及信号接收器4在Y轴的协作运动。

零件表面直线度一般指的是零件工作导向面的直线度误差。图5为机床导轨水平面内的直线度检测模型。

由图5可知，要想测得导轨当前位置的直线度误差，可将仪器测头置于导轨一端，调整装置使四象限光电位置探测面板422上的激光信号中心处于相对零位后，测头101开始沿图示Z向运动，即可连续测得当前位置导轨的直线度偏差。

测量后，直线度误差还需通过数学评定方法给出。常见的直线度的评定方法分为两类：

1)两端点连线法：以被测实际线的两端点的连线作为评定基准，实际线关于两端点连线的最大变动量为该实际线的直线度误差值，如2.1式所示。

式中：i—测点序号；n—终点序号；ai—各测点的读数。

2)最小包容区域法：按最小条件评定直线度误差的方法。

其判别方法为相间准则：若上下两条平行线包容了实际线，且与实际线成高、低相间三点接触时，此二平行线的位置必符合最小条件，如图6所示。

假设m、n、k为测量过程记录测量点序号；而Ym、Yn、Yk分别为测点m、n、k相对于测量基准的读数，且m、n为高(低)点，k为低(高)点，则最小条件的直线度评定公式为2.2：

表1长度为600mm的平面导轨的直线度

测点序号	0	1	2	3	4	5	6
								检测读数	0	+9	+18	-9	-3	-9	+12

表1为长度为600mm的平面导轨的直线度测量获得七个测点的数值，按上述两种不同方法分别计算可得f_max＝30μm，f_min＝26μm。

通过以上分析,可以看出用符合最小条件的包容线法来评定直线度误差时,它的精度高于两端点连线法评定直线度误差时的极限误差。故直线度测量采用最小包容区域法数学模型来评定直线度具有更高精度。

测量平面度时，如图7，由于一个平面可以看作是由若干直线构成,因此要获得平面度误差，可以通过测出平面内各测量点的直线度误差,然后换算为对同一平面的数值,再进行平面度误差的评定。通过顺序法,来测得平面内对应数据，然后采用最小条件法原则进行评定。

平面度最小条件法是指包容实际表面且距离为最小的两平行平面的距离即为被测面平面度，如图8所示。

用最小条件法评定平面度误差,可通过三角形准则和交叉准则进行判定。三角形准则用以判别凸或凹型的平面度误差，一个最低(高)点的投影位于由三个等值最高(低)点所组成的三角形内。交叉准则用以判别鞍马型的平面，两等值最低(高)点的投影位于两等值最高(低)点连线的两侧，见图9。

判别步骤：

1)根据测得数据初步判定被测表面的类型,选择相应的最小条件准则判定；

2)拟定最高点和最低点,选定旋转轴的位置(某一检测点做旋转基准)；

3)计算平面内其余各点的旋转量，各测点型对基准作坐标变换；

4)变换后各测点的新坐标进行最小条件判别准则判定；符合，求出被测平面度；不符合，重复上述步骤，直至符合最小条件判别准则判定。

如图10和11所示，圆度是指圆柱或圆孔类零件圆截面接近理论圆的程度。测量时可以将被测工件放置于图11所示的T型夹具上，测量开始时通过调节第一平台和第二平台，使得四象限光电位置探测面板422数值至零，在夹具内转动圆柱，测头101即可测得同一截面不同位置处圆度差值。旋转一圈后，找出最大最小差值，即为圆柱当前截面的圆柱度偏差。

变换测量截面，在圆柱长度方向上依次测量不同位置的圆度偏差，测得整个圆柱截面上最大尺寸与最小尺寸差差即为圆柱度。

线轮廓度是对曲线形状的要求，是限制实际曲线对理想曲线的变动量。测量时将被测工件至于测量仪测量范围，测头置于工件曲面中间位置，如图12所示。通过调节第一平台和第二平台，使得四象限光电位置探测面板数值至零，测量时测头沿曲面轮廓单一方向滑过，记录曲线最大最小差值，即为曲面当前位置的线轮廓度。

变换测量截面，在整个曲面测量，记录最大最小差值，即为当前曲面的面轮廓度。

1)将被测工件置于检测装置测量区域内部；

2)控制三坐标移动装置自适应测头置于被测零件初始位置，此时测头弹簧应处于一定压缩状态；

3)激光器置于开启状态，发出点状光斑，调节第一平台和第二平台，使光斑置于四象限光电位置探测面板中心，通过上位机软件监测、对中。

4)控制电机按被测几何要素运动，记录运动轨迹和数据。

5)按对应数学模型完成数据处理和评定，得出评定结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种形状公差光电检测机器人，其特征在于，包括自适应测头、激光发射器、三坐标移动装置、信号接收装置和数据采集及控制装置；

所述三坐标移动装置包括两平行设置的X轴、一Y轴、一Z轴、分别与所述X、Y、Z轴连接的X、Y、Z轴电机以及分别设于所述X、Y、Z轴上的X、Y、Z轴导轨；两X轴通过连杆连接，所述连杆的一端设有X轴电机；

所述两X轴与所述连杆的连接处均设有联轴器；

所述Y轴分别通过两带固定件的X轴导轨设于所述两X轴上，并且一端设有Y轴电机；

所述Z轴通过Y轴导轨设于所述Y轴上，所述Z轴一端设有Z轴电机，且所述Z轴电机通过一L形连杆与所述信号接收装置相连接；

所述自适应测头通过Z轴导轨设于所述Z轴上，所述激光发射器设于所述自适应测头上且与所述信号接收装置相对应；

所述数据采集及控制装置用于接收来自所述信号接收装置上的信号以及控制所述三坐标移动装置和所述信号接收装置在所述Y轴上的位移；

所述信号接收装置包括连接件，所述连接件包括水平设置的第一面板和与所述第一面板相垂直的第二面板，所述第二面板与所述激光发射器相对应，所述第二面板上设有第二调节平台，所述第二调节平台上设有四象限光电位置探测面板；所述四象限光电位置探测面板用于接收来自所述激光发射器的信号，所述第一面板与所述L形连杆相连接，且所述第一面板上设有第一调节平台。

2.根据权利要求1所述的形状公差光电检测机器人，其特征在于，所述第一调节平台，包括第一平台、X轴向调节杆和Y轴向调节杆，所述第一平台设于所述第一面板靠近地面的一侧，所述第一平台上设有X轴向调节杆和Y轴向调节杆。

3.根据权利要求1所述的形状公差光电检测机器人，其特征在于，所述第二调节平台，包括第二平台、Z轴向调节杆，所述第二平台设于第二面板上与所述激光发射器靠近的一侧，所述第二平台上设有Z轴向调节杆。

4.根据权利要求1所述的形状公差光电检测机器人，其特征在于，所述数据采集及控制装置包括采集单元和控制单元；

所述采集单元包括集成PSD偏置电压的高速18位AD芯片、RS232、RS485和USB接口；

所述控制单元包括PLC，所述PLC分别与所述三坐标移动装置的X、Y、Z轴电机相连接。

5.采用权利要求1到4任意一项所述的形状公差光电检测机器人的形状公差光电检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将被测工件置于检测装置测量区域内部；

S2、控制三坐标移动装置使得自适应测头置于被测零件初始位置，此时自适应测头的弹簧处于一定压缩状态：

S3、激光发射器置于开启状态，发出点状光斑，调节第一调节平台和第二调节平台，使光斑置于四象限光电位置探测面板中心，通过数据采集及控制装置监测、对中；

S4、控制X、Y、Z轴电机按被测几何要素运动，记录运动轨迹和数据；

S5、按对应数学模型完成数据处理和评定，得出评定结果。

6.根据权利要求5所述的形状公差光电检测方法，其特征在于，测量直线度时，S5所述的数学模型为：

假设m、n、k为测量过程记录测量点序号；而Ym、Yn、Yk分别为测点m、n、k相对于测量基准的读数，且m、n为高/低点，k为低/高点，则最小条件的直线度评定公式为2.2：

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