CN109186462B - 一种激光高速测量机及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于几何测量领域，涉及一种激光高速测量机及测量方法。所述的激光高速测量机包括平顺运动装置、大理石平台和水平转台装置；水平转台装置固定在大理石平台上，水平转台装置用于放置工件；平顺运动装置固定在大理石平台一端，平顺运动装置用于检测水平转台装置上放置的工件。本发明在测量机构上，采用了平面连杆机构，实现最高扫描速度达10m/s；在基准建立上，采用粗测量激光传感器，实现无人参与的自动高速基准建立；取消定位运动和接近运动，只有光顺连续快速扫描运动；测量值由控制脉冲同步锁存提取；测量效率可以达到现有三坐标测量机的10倍以上。

Description

一种激光高速测量机及测量方法
技术领域
本发明属于几何测量领域，涉及一种激光高速测量机及测量方法。
背景技术
航空叶片是航空发动机的核心部件，其叶身是典型的弱刚度空间旋钮曲面，形状、尺寸精度要求越来越高，三坐标检测已经成为叶片制造过程中不能缺少的工序。虽然理论上叶片的加工已经实现了100％的数控加工，可以由抽检实现产品的质量控制，而实际上由于毛坯、机床、夹具、刀具等工艺系统存在很多不稳定不确定因素，数控加工产品的一致性稳定性还远远没有达到产品的精度要求，需要通过测量进行及时的反馈调整。要保证产品质量100％合格，目前还需较高的抽检比例，另外数控加工后还有其它工序，如抛磨、钎焊、喷丸等，成品检验比例也较高，复检率达到3，即每个特征参数都检查了3次，整个检测时间超过产品的加工时间，严重制约了产品生产效率。迫切需要新的高效检测方法。现有的测量技术主要是三坐标机械接触式测量，采用打点方式建立坐标系，采用基于特征的编程方式进行编程，编程困难、测量效率低，编制一个复杂叶片测量程序需要1周，测量一个250mm长的叶片需要60分钟。
本发明拟克服现有三坐标测量机及其测量方法的缺陷，从测量机构、测量方式、编程方法、测量策略引入全新概念，实现真正高速高精度几何测量。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种激光高速测量机及测量方法。
本发明的技术方案如下：
一种激光高速测量机，包括平顺运动装置、大理石平台1和水平转台装置；水平转台装置固定在大理石平台1上，水平转台装置用于放置工件；平顺运动装置固定在大理石平台1一端，平顺运动装置用于检测水平转台装置上放置的工件。
所述的平顺运动装置包括平面连杆安装座2、双滑块3、集成模组滑台4、立柱5、第一伺服电机6、第一连杆7、第二伺服电机8、第二连杆9、第三伺服电机10、第三连杆11、第四伺服电机12、转接轴13、传感器座体14、精测传感器安装法兰15、精测激光位移传感器16、粗测头俯仰伺服电机30、粗测激光位移传感器31、粗测传感器安装法兰32和粗测头俯仰伺服电机33。
精测激光位移传感器16通过精测传感器安装法兰15固连在精测头俯仰伺服电机33轴上，精测头俯仰伺服电机33通过电机法兰固定在传感器座体14的一个连接臂上；传感器座体14以中心孔对称的设有两个连接臂，传感器座体14的另一条连接臂通过电机法兰固定粗测头俯仰伺服电机30，粗测头俯仰伺服电机30的轴通过粗测传感器安装法兰32固连粗测激光位移传感器31；传感器座体14的中心孔与第四伺服电机12轴固连，第四伺服电机12通过电机法兰固定在第三连杆11末端；第三连杆11另一端和第三伺服电机10轴固连，第三伺服电机10通过电机J3法兰连接到第二连杆9的一端；第二连杆9的另一端与第二伺服电机8轴固连，第二伺服电机法兰固定到第一连杆7一端；第一连杆7的另一端固连在第一伺服电机6轴上，第一伺服电机6通过第一伺服电机法兰连接到电机座上，电机座下表面固定在平面连杆安装座2上；平面连杆安装座2固定在双滑块3上，双滑块3与集成模组滑台4滑动连接；集成模组滑台4固定在立柱5上；立柱5垂直固定在水平设置的大理石平台1的一端，所述的第一连杆、第二连杆和第三连杆与大理石平台1平行。
所述的水平转台装置包括工作转台安装端盖17、主轴18、工作转台19、轴承端盖20、工作转台端面轴承21、轴承座22、轴套23、轴承24、电机座26、联轴器27和工作转台电机28。
大理石平台1左端固定轴承座22，轴承座22下端通过电机座26与工作转台电机28固连；工作转台电机28的输出轴通过联轴器27与主轴18固定；主轴18外套轴承24，轴承24通过轴承端盖20、轴套23固定在轴承座22中；主轴18莫氏锥度连接大理石平台1，主轴18顶端固定工作转台安装端盖17，工作转台安装端盖17与工作转台19固连，实现转矩传递；工作转台19固定在端面轴承21上，实现水平面旋转。
进一步的，大理石平台1固定在支架29上，支架29下端固定具有调水平功能单元和减震隔振单元。
采用所述激光高速测量机的测量方法，步骤如下：
步骤1：将待测工件固定在工作转台19上，启动激光高速测量机，将粗测激光位移传感器31移动至工作转台19上方，粗测激光位移传感器31的测量轴正对工作转台19中心轴线，形成与粗测激光位移传感器31的测量轴对准的指定粗测面；调节粗测头俯仰伺服电机30使粗测激光位移传感器31俯仰角为设定值；
步骤2：控制工件转台19旋转，调节双滑块3将粗测激光位移传感器31移动至指定粗测面下边缘；激光高速测量机沿粗测激光位移传感器31的测量轴探测到指定粗测面，通过第一连杆7、第二连杆9和第三连杆11的联动运动，使粗测激光位移传感器31围绕待测工件螺旋运动，采集工件扫描点；在此过程中，只考虑干涉避让，调整粗测激光位移传感器31径向位置；采集数据允许是不完整的，但覆盖六点定位原则所需点；
步骤3：根据步骤2采集的数据结果，将测量数据与工件CAD模型配准，形成测量粗基准，并生成待测工件模型和测量特征；激光高速测量机根据待测工件模型、测量特征及测量粗基准自动生成精测扫描轨迹；
激光高速测量机根据测量特征和粗测激光位移传感器31的位姿，控制粗测头俯仰伺服电机30使粗测激光位移传感器31俯仰角为不同值，重新建立测量粗基准，并生成待测工件模型和测量特征；保证所有特征准确测量，又形成冗余测量数据，便于补偿校准提高测量精度；
步骤4：通过步骤3形成的精测扫描轨迹；控制精测激光位移传感器16、粗精测头俯仰伺服电机33、工作转台伺服电机28、第一伺服电机6、第二伺服电机8、第三伺服电机10、第四伺服电机12联动，沿精测扫描轨迹扫描待测工件，获得测量数据。
基于测量工件轮廓及测量传感器量程的轨迹约束和平顺保证无冲击动态约束的运动控制优化策略；在扫描路径上规划采集点，进而确定控制脉冲时序；对测量数据，首先进行卡尔曼滤波，计算最优估计值，然后以高精度特征数据点拟合理论模型，形成测量精基准；然后评价测量特征；输出测量报告。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相比现有技术，本发明最大的优点就在于实现了真正的高速测量，在测量机构上，采用了平面连杆机构，实现最高扫描速度达10m/s；在基准建立上，采用粗测量激光传感器，实现无人参与的自动高速基准建立；在编程和测量路径规划上，采用用户只需在CAD模型上定义测量基准、特征及公差，系统自动规划测量路径；取消定位运动和接近运动，只有光顺连续快速扫描运动；测量值由控制脉冲同步锁存提取；测量效率可以达到现有三坐标测量机的10倍以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明结构俯视图。
图中，1大理石基平台；2平面连杆安装座；3双滑块；4集成模组滑台；5立柱；6第一伺服电机；7第一连杆；8第二伺服电机；9第二连杆；10第三伺服电机；11第三连杆；12第四伺服电机；13转接轴；14传感器座体；15精测传感器安装法兰；16精测激光位移传感器；17工作转台安装端盖；18主轴；19工作转台；20轴承端盖；21工作转台端面轴承；22轴承座；23轴套；24轴承；25定位螺母；26电机座27联轴器；28工作转台电机；29支架；30粗测头俯仰伺服电机；31粗测激光位移传感器；32粗测传感器安装法兰；33精测头俯仰伺服电机。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图对本发明的具体实施例详细说明。
一种激光高速测量机，包括平顺运动装置、大理石平台1和水平转台装置；水平转台装置固定在大理石平台1上，水平转台装置用于放置工件；平顺运动装置固定在大理石平台1一端，平顺运动装置用于检测水平转台装置上放置的工件。
所述的平顺运动装置包括平面连杆安装座2、双滑块3、集成模组滑台4、立柱5、第一伺服电机6、第一连杆7、第二伺服电机8、第二连杆9、第三伺服电机10、第三连杆11、第四伺服电机12、转接轴13、传感器座体14、精测传感器安装法兰15、精测激光位移传感器16、粗测头俯仰伺服电机30、粗测激光位移传感器31、粗测传感器安装法兰32和粗测头俯仰伺服电机33。
精测激光位移传感器16通过精测传感器安装法兰15固连在精测头俯仰伺服电机33轴上，精测头俯仰伺服电机33通过电机法兰固定在传感器座体14的一个连接臂上；传感器座体14以中心孔对称的设有两个连接臂，传感器座体14的另一条连接臂通过电机法兰固定粗测头俯仰伺服电机30，粗测头俯仰伺服电机30的轴通过粗测传感器安装法兰32固连粗测激光位移传感器31；传感器座体14的中心孔与第四伺服电机12轴固连，第四伺服电机12通过电机法兰固定在第三连杆11末端；第三连杆11另一端和第三伺服电机10轴固连，第三伺服电机10通过电机J3法兰连接到第二连杆9的一端；第二连杆9的另一端与第二伺服电机8轴固连，第二伺服电机法兰固定到第一连杆7一端；第一连杆7的另一端固连在第一伺服电机6轴上，第一伺服电机6通过第一伺服电机法兰连接到电机座上，电机座下表面固定在平面连杆安装座2上；平面连杆安装座2固定在双滑块3上，双滑块3与集成模组滑台4滑动连接；集成模组滑台4固定在立柱5上；立柱5垂直固定在水平设置的大理石平台1的一端，所述的第一连杆、第二连杆和第三连杆与大理石平台1平行。
所述的水平转台装置包括工作转台安装端盖17、主轴18、工作转台19、轴承端盖20、工作转台端面轴承21、轴承座22、轴套23、轴承24、电机座26、联轴器27和工作转台电机28。
大理石平台1左端固定轴承座22，轴承座22下端通过电机座26与工作转台电机28固连；工作转台电机28的输出轴通过联轴器27与主轴18固定；主轴18外套轴承24，轴承24通过轴承端盖20、轴套23固定在轴承座22中；主轴18莫氏锥度连接大理石平台1，主轴18顶端固定工作转台安装端盖17，工作转台安装端盖17与工作转台19固连，实现转矩传递；工作转台19固定在端面轴承21上，实现水平面旋转。
进一步的，大理石平台1固定在支架29上，支架29下端固定具有调水平功能单元和减震隔振单元。
在测量控制软件编程界面下，指定基准、测量特征，输入公差，指定粗测起始面；系统自动根据输出信息和模型信息，生成粗测螺旋运动路径；安装工件，使指定粗测面对准测量轴；启动测量，测量机粗测头转至工作位，默认测量轴指向转台主轴，俯仰角为设定值，如俯20度；测头高度，控制至指定粗测面下边缘附近；系统首先自动沿测量轴探测到粗测面，然后以螺旋运动，采集工件扫描点；在此过程中，只考虑干涉避让，调整测头径向位置；采集数据允许是不完整的，但必须覆盖六点定位原则所需点；
系统根据粗测结果，建立测量基准；根据待测工件模型、测量特征及粗基准自动生成精测扫描轨迹；根据测量特征及其位姿，规划不同测头俯仰角进行复测，既保证所有特征准确测量，又形成冗余测量数据，便于补偿校准提高测量精度；在精测路径规划时，采用工作转台伺服电机28、第一伺服电机6、第二伺服电机8、第三伺服电机10、第四伺服电机12五轴联动，基于测量工件轮廓及测量传感器量程的轨迹约束和平顺保证无冲击动态约束的运动控制优化策略；在扫描路径上规划采集点，进而确定控制脉冲时序；测量机按照规划路径扫描运动时，由控制脉冲锁存各运动轴编码值、移动位移值及激光传感器位移值，获得测量值；
对测量数据，首先进行卡尔曼滤波，计算最优估计值，然后以高精度特征数据点拟合理论模型，形成测量精基准；然后评价测量特征；输出测量报告。

Claims (4)

1.一种激光高速测量机，其特征在于，包括平顺运动装置、大理石平台(1)和水平转台装置；水平转台装置固定在大理石平台(1)上，水平转台装置用于放置工件；平顺运动装置固定在大理石平台(1)一端，平顺运动装置用于检测水平转台装置上放置的工件；
所述的平顺运动装置包括平面连杆安装座(2)、双滑块(3)、集成模组滑台(4)、立柱(5)、第一伺服电机(6)、第一连杆(7)、第二伺服电机(8)、第二连杆(9)、第三伺服电机(10)、第三连杆(11)、第四伺服电机(12)、转接轴(13)、传感器座体(14)、精测传感器安装法兰(15)、精测激光位移传感器(16)、粗测头俯仰伺服电机(30)、粗测激光位移传感器(31)、粗测传感器安装法兰(32)和精测头俯仰伺服电机(33)；
精测激光位移传感器(16)通过精测传感器安装法兰(15)固连在精测头俯仰伺服电机(33)轴上，精测头俯仰伺服电机(33)通过电机法兰固定在传感器座体(14)的一个连接臂上；传感器座体(14)以中心孔对称的设有两个连接臂，传感器座体(14)的另一条连接臂通过电机法兰固定粗测头俯仰伺服电机(30)，粗测头俯仰伺服电机(30)的轴通过粗测传感器安装法兰(32)固连粗测激光位移传感器(31)；传感器座体(14)的中心孔与第四伺服电机(12)轴固连，第四伺服电机(12)通过电机法兰固定在第三连杆(11)末端；第三连杆(11)另一端和第三伺服电机(10)轴固连，第三伺服电机(10)通过电机J3法兰连接到第二连杆(9)的一端；第二连杆(9)的另一端与第二伺服电机(8)轴固连，第二伺服电机法兰固定到第一连杆(7)一端；第一连杆(7)的另一端固连在第一伺服电机(6)轴上，第一伺服电机(6)通过第一伺服电机法兰连接到电机座上，电机座下表面固定在平面连杆安装座(2)上；平面连杆安装座(2)固定在双滑块(3)上，双滑块(3)与集成模组滑台(4)滑动连接；集成模组滑台(4)固定在立柱(5)上；立柱(5)垂直固定在水平设置的大理石平台(1)的一端，所述的第一连杆、第二连杆和第三连杆与大理石平台(1)平行；
所述的水平转台装置包括工作转台安装端盖(17)、主轴(18)、工作转台(19)、轴承端盖(20)、工作转台端面轴承(21)、轴承座(22)、轴套(23)、轴承(24)、电机座(26)、联轴器(27)和工作转台电机(28)；
大理石平台(1)左端固定轴承座(22)，轴承座(22)下端通过电机座(26)与工作转台电机(28)固连；工作转台电机(28)的输出轴通过联轴器(27)与主轴(18)固定；主轴(18)外套轴承(24)，轴承(24)通过轴承端盖(20)、轴套(23)固定在轴承座(22)中；主轴(18)莫氏锥度连接大理石平台(1)，主轴(18)顶端固定工作转台安装端盖(17)，工作转台安装端盖(17)与工作转台(19)固连，实现转矩传递；工作转台(19)固定在端面轴承(21)上，实现水平面旋转。
2.如权利要求1所述的一种激光高速测量机，其特征在于，大理石平台(1)固定在支架(29)上，支架(29)下端固定具有调水平功能单元和减震隔振单元。
3.根据权利要求1～2任意一项所述的激光高速测量机的测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将待测工件固定在工作转台(19)上，启动激光高速测量机，将粗测激光位移传感器(31)移动至工作转台(19)上方，粗测激光位移传感器(31)的测量轴正对工作转台(19)中心轴线，形成与粗测激光位移传感器(31)的测量轴对准的指定粗测面；调节粗测头俯仰伺服电机(30)使粗测激光位移传感器(31)俯仰角为设定值；
步骤2：控制工件转台(19)旋转，调节双滑块(3)将粗测激光位移传感器(31)移动至指定粗测面下边缘；激光高速测量机沿粗测激光位移传感器(31)的测量轴探测到指定粗测面，通过第一连杆(7)、第二连杆(9)和第三连杆(11)的联动运动，使粗测激光位移传感器(31)围绕待测工件螺旋运动，采集工件扫描点；在此过程中，只考虑干涉避让，调整粗测激光位移传感器(31)径向位置；采集数据允许是不完整的，但覆盖六点定位原则所需点；
步骤3：根据步骤2采集的数据结果，将测量数据与工件CAD模型配准，形成测量粗基准，并生成待测工件模型和测量特征；激光高速测量机根据待测工件模型、测量特征及测量粗基准自动生成精测扫描轨迹；
激光高速测量机根据测量特征和粗测激光位移传感器(31)的位姿，控制粗测头俯仰伺服电机(30)使粗测激光位移传感器(31)俯仰角为不同值，重新建立测量粗基准，并生成待测工件模型和测量特征；保证所有特征准确测量，又形成冗余测量数据，便于补偿校准提高测量精度；
步骤4：通过步骤3形成的精测扫描轨迹；控制精测激光位移传感器(16)、精测头俯仰伺服电机(33)、工作转台伺服电机(28)、第一伺服电机(6)、第二伺服电机(8)、第三伺服电机(10)、第四伺服电机(12)联动，沿精测扫描轨迹扫描待测工件，获得测量数据。
4.如权利要求3所述的激光高速测量机的测量方法，其特征在于，对步骤4获得的测量数据，首先进行卡尔曼滤波，计算最优估计值；然后以高精度特征数据点拟合理论模型，形成测量精基准；最后评价测量特征，输出测量报告。
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