CN109352422A - 一种双头激光扫描多功能在位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双头激光扫描多功能在位测量方法及装置，该装置包括水平移动平台、竖直移动平台、夹持机构、双头激光光谱共焦传感器系统和数据处理系统；水平移动平台的运动部分在电机驱动力的作用下沿水平方向运动，竖直移动平台固定连接在水平移动机构的运动部分上，竖直移动平台的运动部分在电机驱动力的作用下沿竖直方向运动；夹持机构固定连接在竖直移动平台的运动部分上，双头激光光谱共焦传感器系统安装固定在夹持机构上对工件的待检测部位进行检测，夹持机构实现水平和竖直两个检测方向的变换来分别对应工件在机床的C轴和B轴工作台上的装夹状态，检测的数据传输给数据处理系统，数据处理系统分析采集数据后得出检测部位的尺寸。

Description

一种双头激光扫描多功能在位测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种薄壁零件的尺寸测量装置，具体涉及一种在线检测细颈零件尺寸的高精度测量装置，属于机械设计和测试技术领域。

背景技术

挠性接头作为动力调谐陀螺仪中的关键核心部件，其细颈部位的制造精度直接影响陀螺仪的性能和使用寿命。目前，挠性接头细颈尺寸检测处于离线测量，即挠性接头在机床上加工完成后，将挠性接头拿到检测仪器上检测挠性接头细颈部位尺寸、或者采用挂砝码法检测挠性接头细颈部位刚度，然后再把挠性接头安装到机床上修正加工误差，这种方法不但效率低，且细颈的二次装夹带来误差，大大降低了挠性接头细颈部位的加工精度和成品率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双头激光扫描多功能在位测量方法及装置，能够实现工件待检测部位的亚微米级精度在位测量，并通过对测量数据的高精度拟合获得工件待检测部位的尺寸，为进一步实现高精度加工和误差补偿提供必要的保障。

一种双头激光扫描多功能在位测量装置，该装置包括水平移动平台、竖直移动平台、夹持机构、双头激光光谱共焦传感器系统和数据处理系统；

所述水平移动平台的运动部分在电机驱动力的作用下沿水平方向运动，所述竖直移动平台固定连接在水平移动机构的运动部分上，竖直移动平台的运动部分在电机驱动力的作用下沿竖直方向运动；所述夹持机构固定连接在竖直移动平台的运动部分上，所述双头激光光谱共焦传感器系统安装固定在夹持机构上对工件的待检测部位进行检测，夹持机构实现水平和竖直两个检测方向的变换来分别对应工件在机床的C轴和B轴工作台上的装夹状态，检测的数据传输给数据处理系统，数据处理系统分析采集数据后得出检测部位的尺寸。

进一步地，所述水平移动平台包括下安装板、水平移动滑块、水平移动电机、水平移动机构和水平导轨，所述水平移动电机、水平移动机构和水平导轨均安装在下安装板的表面，水平移动滑块与水平导轨滑动配合，水平移动电机驱动水平移动机构使水平移动滑块沿水平导轨往复滑动。

进一步地，所述竖直移动平台包括升降导轨、升降支撑板、竖直移动滑块、旋转臂支架、升降运动机构和竖直移动电机；所述升降支撑板与水平移动平台中的水平移动滑块固定连接，所述升降导轨、升降运动机构和竖直移动电机均固定连接在升降支撑板上，竖直移动电机驱动升降运动机构使竖直移动滑块沿升降导轨往复滑动，所述旋转臂支架固定连接在竖直移动滑块上用于安装夹持机构。

进一步地，所述夹持机构包括T型旋转臂、传感器夹持臂和水平挡铁；所述T型旋转臂的底端通过转轴与竖直移动平台中的旋转臂支架活动连接，水平挡铁固定连接在旋转臂支架上保证T型旋转臂的竖直部分呈水平放置，所述传感器夹持臂上固定双头激光光谱共焦传感器系统，所述传感器夹持臂通过分别与T型旋转臂的水平部分和竖直部分的连接实现竖直状态和水平状态的转换。

进一步地，所述双头激光光谱共焦传感器系统包括两个双头激光光谱传感器，双头激光光谱共焦传感器之间的空隙为检测工件待检测部位的空间，该双头激光光谱传感器均匀扫描工件的待检测部位，并将采样数据传至数据处理系统，接着采用最小二乘法拟合出细颈圆弧半径、圆心位置，最后均值处理得到细颈尺寸。

一种双头激光扫描多功能在位测量方法，该方法的测量步骤如下：

步骤一：将工件安装在机床C主轴上加工或者工件安装在B轴加工工作台上加工得到产品；

步骤二：将在位检测装置移动至产品的待检测部位附近，使得待检测部位处于双头激光传感器的检测区内；

步骤三：采用双头激光光谱共焦传感器连续均匀扫描待检测部位，并将采集数据上传至数据处理系统；

步骤四：采用最小二乘法拟合出待检测部位尺寸信息；

步骤五：重复步骤三和四，连续采样多次，得到多组待检测部位的圆弧半径、圆心位置；

步骤六：通过均值处理得到待检测部位尺寸，完成检测。

有益效果：

1、本发明能够实现工件尺寸的在位测量功能，解决了现有的挠性接头细颈加工后进行离线测量，在把原来挠性接头安装到机床上修正加工误差的方式，避免了二次装夹，减少了装夹误差，大大提高了加工效率与加工精度。

2、本发明在超精密车铣复合加工机床上实现了两种在位检测方式，即工件安装在C主轴上加工的细颈在线检测，工件安装在B轴工作台加工的细颈在线检测，通过在线测量装置与超精密车铣复合加工机床的结合使用充分发挥了机床和检测装置各自的优势。

3、本发明在超精密车铣复合加工机床上还能够实现刀具磨损在位测量功能、刀具对刀功能，进一步保证零件的高精度加工，降低了刀具磨损和对刀带来的误差。

附图说明

图1为本发明的高精度在线测量装置的结构示意图；

图2为本发明传感器夹持臂和T型旋转臂的结构示意图；

图3为工件安装在C主轴上加工的在线检测示意图；

图4为工件安装在B轴工作台加工的在线检测示意图；

图5为本发明挠性接头细颈部位测量方法流程图；

图6为本发明刀具磨损在位测量方法流程图；

图7为本发明对刀仪在位测量方法流程图。

其中，1-水平移动滑块、2-水平移动电机、3-水平移动机构、4-水平导轨、5-升降导轨、6-升降支撑板、7-竖直移动滑块、8-旋转臂支架、9-升降运动机构、10-竖直移动电机、11-固定销Ⅰ、12-传感器夹持臂、13-双头激光光谱共焦传感器、14-固定销Ⅱ、15-传感器固定销、16-T型旋转臂、17-水平挡铁、18-下安装板、19-挠性接头、20-X轴运动机构、21-Y轴运动机构、22-主轴运动机构、23-测量装置、24-刀具机构、25-精密十字微动台、26-B轴回转运动机构、27-Z轴运动机构、28-机床底座、29-B轴加工工作台、30-三爪卡盘。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种细颈零件的高精度在线测量装置，装置包括水平移动平台、竖直移动平台、夹持机构、双头激光光谱共焦传感器13和数据处理系统；该测量装置可实现图示坐标系中的Z轴移动、Y轴移动、T型旋转臂90度翻转、传感器夹持臂90度的转换，利用双头激光光谱共焦传感器13对三爪卡盘夹持的挠性接头19的细颈部位进行扫描，数据处理系统采集并分析扫描数据后得出细颈19尺寸最小出的均值，完成对挠性接头19的细颈部位的测量。

其中，水平移动平台包括下安装板18、水平移动滑块1、水平移动电机2、水平移动机构3和水平导轨4；

竖直移动平台包括升降导轨5、升降支撑板6、竖直移动滑块7、旋转臂支架8、升降运动机构9和竖直移动电机10；

夹持机构包括T型旋转臂16、传感器夹持臂12和水平挡铁17；

如附图2所示，传感器夹持臂12为夹持和固定激光光谱共焦传感器13专用夹持器，通过固定销Ⅰ11和固定销Ⅱ14分别安装在T型旋转臂16的水平部分和竖直部分上，分别实现双头激光光谱共焦传感器13的水平方向和竖直方向安装测量。

T型旋转臂16为T型结构支撑架，通过转轴安装在竖直移动平台的旋转支架8上，采用水平挡铁17保证测量时T型旋转臂16的水平状态，用于支撑、贴合传感器夹持臂12，在测量结束后，传感器夹持臂12可竖直立起进行收纳。

测量装置23通过下安装板18安装在机床Z轴移动机构27上，随着机床Z轴移动机构27而移动；水平移动机构3安装并固定在下安装板18上，由电机2、导轨4与滑块1构成的电动平移机构，升降支撑板6安装在水平移动滑块1上，而升降运动机构9安装固定在升降支撑板6上，水平移动电机2带动水平移动滑块1沿Z轴方向移动，进而带动升降支撑板6沿Z轴方向移动，进一步带动升降运动机构9沿Z轴移动。

旋转臂支架8安装在竖直移动滑块7上，T型旋转臂16通过转轴安装在旋转臂支架8上，水平挡铁17安装在旋转臂支架8上保证T型旋转臂16水平放置，竖直移动电机10带动竖直移动滑块7沿Y轴方向上下移动，进而带动T型旋转臂16沿Y轴上下移动，同时水平移动电机2沿Z轴方向带动T型旋转臂16沿Z轴方向水平移动。

如附图3所示，细颈零件即挠性接头19安装在C主轴上加工的细颈在线检测方式,此时挠性接头19水平安装，传感器夹持臂12为竖直安装检测方式。其检测过程如下：

第一步：B轴回转工作台26沿Z方向退至安全位置，机床X轴运动机构20沿X方向移动，使双头激光光谱共焦传感器13在X方向接近测量位置；

第二步：将T型旋转臂16调整到水平安装位置，通过调整水平挡铁17确保T型旋转臂16水平安装；

第三步：将传感器夹持臂12竖直安装，并用固定销Ⅰ11锁紧传感器夹持臂12；

第四步：水平移动电机2带动升降支撑板6沿Z轴方向移动，进而带动T型旋转臂16和传感器夹持臂12沿Z轴移动，使双头激光光谱共焦传感器13在Z方向接近测量位置；

第五步：竖直移动电机10带动T性旋转臂16沿Y轴移动，进而带动传感器夹持臂12沿Y方向移动，使双头激光光谱共焦传感器13在Y方向接近测量位置；

第六步：微调机床X轴运动机构20、水平移动机构3和升级移动机构9，使传感器发出的信号检测到零件细颈。

第七步：测量装置水平电机2带动传感器夹持臂12沿Z方向均匀扫描采集数据；

第八步：数据处理系统将采样数据进行最小二乘法处理，拟合出挠性接头细颈部位的圆弧半径、圆心位置；

第九步：重复上述步骤，连续采样10次并上传至数据处理系统，得到10组挠性接头细颈部位的圆弧半径、圆心位置，最后均值处理得出挠性接头19细颈尺寸，完成测量。

如附图4所示，细颈零件即挠性接头19安装在B轴工作台上加工的细颈在线检测方式,此时挠性接头19竖直安装，传感器夹持臂16为水平安装检测方式。其检测步骤如下：

第一步：B轴回转工作台26沿Z方向退至安全位置，机床精密十字微动平台25沿X方向移动，使双头激光光谱共焦传感器13在X方向接近测量位置；

第二步：将T型旋转臂16调整到水平安装位置，通过调整水平挡铁17确保T型旋转臂16水平安装；

第三步：将传感器夹持臂12水平安装，并用固定销Ⅱ14锁紧传感器夹持臂12；

第四步：测量装置水平移动电机2带动升降支撑板6沿Z轴方向移动，进而带动T型旋转臂16和传感器夹持臂12沿Z轴移动，使双头激光光谱共焦传感器13在Z方向接近测量位置；

第五步：竖直移动电机10带动T性旋转臂16沿Y轴移动，进而带动传感器夹持臂12沿Y方向移动，使双头激光光谱共焦传感器13在Y方向接近测量位置；

第六步：微调精密十字微动平台25、水平移动机构3和升降运动机构9，使传感器发出的信号检测到零件细颈。

第七步：竖直移动电机10带动传感器夹持臂12沿Y方向均匀扫描采集数据；

第八步：数据处理系统将采样数据进行最小二乘法处理，拟合出挠性接头细颈部位的圆弧半径、圆心位置；

第九步：重复上述步骤，连续采样10次并上传至数据处理系统，得到10组挠性接头细颈部位的圆弧半径、圆心位置，最后均值处理得出挠性接头19细颈尺寸，完成测量。

上述两种测量方式可以概括成图5的测量方法流程：

步骤一：将工件安装在机床C主轴上加工或者工件安装在B轴加工工作台上加工得到产品；

步骤二：将在位检测装置移动至产品的待检测部位附近，使得待检测部位处于双头激光传感器的检测区内；

步骤三：采用双头激光光谱共焦传感器连续均匀扫描待检测部位，并将采集数据上传至数据处理系统；

步骤四：采用最小二乘法拟合出待检测部位尺寸信息；

步骤五：重复步骤三和四，连续采样多次，得到多组待检测部位的圆弧半径、圆心位置；

步骤六：通过均值处理得到待检测部位尺寸，完成检测。

本发明的方法还能应用于刀具磨损检测和进行刀具的对刀补偿，以实现装置的多功能应用。

如附图6所示，本发明刀具磨损在位测量方法实现步骤如下：

步骤一：将加工刀具安装在C主轴，工件安装在B轴工作台或者加工刀具安装在B轴工作台，工件安装在C主轴上加工；

步骤二：将在位检测装置移动至刀具附近，使得刀具刀尖部位处于双头激光光谱共焦传感器13的检测区内；

步骤三：采用双头激光光谱共焦传感器13连续均匀扫描刀具后刀面磨损区域，获取后刀面磨损边缘；

步骤四：重复上述动作，连续采样十次，得到十组刀具后刀面磨损面积；

步骤五：通过均值处理可以得到后刀面磨损面积，完成检测。

如附图7所示，本发明对刀仪在位测量方法实现步骤如下：

步骤一：将加工刀具安装在C主轴，工件安装在B轴工作台或者加工刀具安装在B轴工作台，工件安装在C主轴上加工挠性接头；

步骤二：将在位检测装置移动至刀具附近，使得刀具刀尖部位处于双头激光光谱共焦传感器13的检测区内；

步骤三：机床沿Z轴移动，采用双头激光光谱共焦传感器13检测刀尖点，记作刀具位置1；

步骤四：机床沿Z轴移动至刀具安全位置；

步骤五：更换新刀具，机床沿Z轴返回，双头激光光谱共焦传感器13再次检测刀尖点，记录刀具位置2；

步骤六：将位置1与位置2坐标对比，计算出位置1与位置2的差值，并将位置差值补偿到刀具补偿系统中，完成对刀。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种双头激光扫描多功能在位测量装置，其特征在于，该装置包括水平移动平台、竖直移动平台、夹持机构、双头激光光谱共焦传感器系统和数据处理系统；

所述水平移动平台的运动部分在电机驱动力的作用下沿水平方向运动，所述竖直移动平台固定连接在水平移动机构的运动部分上，竖直移动平台的运动部分在电机驱动力的作用下沿竖直方向运动；所述夹持机构固定连接在竖直移动平台的运动部分上，所述双头激光光谱共焦传感器系统安装固定在夹持机构上对工件的待检测部位进行检测，夹持机构实现水平和竖直两个检测方向的变换来分别对应工件在机床的C轴和B轴工作台上的装夹状态，检测的数据传输给数据处理系统，数据处理系统分析采集数据后得出检测部位的尺寸。

2.如权利要求1所述的双头激光扫描多功能在位测量装置，其特征在于，所述水平移动平台包括下安装板、水平移动滑块、水平移动电机、水平移动机构和水平导轨，所述水平移动电机、水平移动机构和水平导轨均安装在下安装板的表面，水平移动滑块与水平导轨滑动配合，水平移动电机驱动水平移动机构使水平移动滑块沿水平导轨往复滑动。

3.如权利要求1或2所述的双头激光扫描多功能在位测量装置，其特征在于，所述竖直移动平台包括升降导轨、升降支撑板、竖直移动滑块、旋转臂支架、升降运动机构和竖直移动电机；所述升降支撑板与水平移动平台中的水平移动滑块固定连接，所述升降导轨、升降运动机构和竖直移动电机均固定连接在升降支撑板上，竖直移动电机驱动升降运动机构使竖直移动滑块沿升降导轨往复滑动，所述旋转臂支架固定连接在竖直移动滑块上用于安装夹持机构。

4.如权利要求3所述的双头激光扫描多功能在位测量装置，其特征在于，所述夹持机构包括T型旋转臂、传感器夹持臂和水平挡铁；所述T型旋转臂的底端通过转轴与竖直移动平台中的旋转臂支架活动连接，水平挡铁固定连接在旋转臂支架上保证T型旋转臂的竖直部分呈水平放置，所述传感器夹持臂上固定双头激光光谱共焦传感器系统，所述传感器夹持臂通过分别与T型旋转臂的水平部分和竖直部分的连接实现竖直状态和水平状态的转换。

5.如权利要求1所述的双头激光扫描多功能在位测量装置，其特征在于，所述双头激光光谱共焦传感器系统包括两个双头激光光谱传感器，双头激光光谱共焦传感器之间的空隙为检测工件待检测部位的空间，该双头激光光谱传感器均匀扫描工件的待检测部位，并将采样数据传至数据处理系统，接着采用最小二乘法拟合出细颈圆弧半径、圆心位置，最后均值处理得到细颈尺寸。

6.一种双头激光扫描多功能在位测量方法，该方法采用了权利要求1所述的装置，其测量步骤如下：

步骤一：将工件安装在机床C主轴上加工或者工件安装在B轴加工工作台上加工得到产品；

步骤二：将在位检测装置移动至产品的待检测部位附近，使得待检测部位处于双头激光传感器的检测区内；

步骤三：采用双头激光光谱共焦传感器连续均匀扫描待检测部位，并将采集数据上传至数据处理系统；

步骤四：采用最小二乘法拟合出待检测部位尺寸信息；

步骤五：重复步骤三和四，连续采样多次，得到多组待检测部位的圆弧半径、圆心位置；

步骤六：通过均值处理得到待检测部位尺寸，完成检测。