CN109506609B - 一种关节式坐标测量机锁止式转轴及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节式坐标测量机锁止式转轴及其标定方法。目前无法使用过大体积高精度的圆光栅角度编码器以提高关节式坐标测量机精度。本发明转轴由转轴主轴、转轴外壳、第一轴承、外隔圈、内隔圈、第二轴承、中空锁紧螺柱、内锁紧螺母、读数头芯片模块、低精度圆光栅盘、锁止球、弹簧和标定机组成。本发明采用标定机进行标定，锁止球位于锁止槽时，读数头芯片模块读取低精度圆光栅盘的角度数据，关节臂坐标测量机的主机设备根据该角度判断转轴主轴属于几号锁止位，调取该锁止位对应的高精度角度数据。本发明采用低精度圆光栅角度编码器就能达到高精度圆光栅角度编码器的测量精度，降低了测量机的制造成本。

Description

一种关节式坐标测量机锁止式转轴及其标定方法

技术领域

本发明属于坐标测量技术领域，具体涉及一种关节式坐标测量机锁止式转轴及其标定方法。

背景技术

关节式坐标测量机是一种多自由度的坐标测量机，由测量臂及旋转关节串联构成开链结构。相比于传统的正交坐标系式三坐标测量机，它具有体积小、易携带、测量范围大、方便灵活、环境适应性好等优点。但由于这种串联结构存在着误差累计放大的缺点，各级关节的结构参数误差会被逐级放大，导致其精度降低。目前市场上的关节式坐标测量机一般为6个自由度，即测量机整体包含6个旋转轴，每个旋转轴为一回转副，提供一个自由度。每个旋转轴中布置了圆光栅角度编码器。读取每个圆光栅角度编码器的角度值，再代入关节式坐标测量机相应的数学模型中，通过计算即可得到关节式坐标测量机测头在基座坐标系下的空间坐标，从而达到测量的目的。

关节式坐标测量机的精度首要决定因素是其转轴中布置的圆光栅角度编码器。在相同的光栅制造工艺下，圆光栅角度编码器中的核心部件——圆光栅盘的体积越大，圆光栅角度编码器的精度越高。关节式坐标测量机的便携性决定了它的体积不能太大。受限于关节式坐标测量机的体积，目前无法使用过大体积高精度的圆光栅角度编码器以提高关节式坐标测量机精度，且高精度的圆光栅角度编码器成本高。

若圆光栅制造技术能够突破，将使得单位体积的圆光栅角度编码器的精度更高，在保持目前关节式坐标测量机各种优点的前提下，有效的提高其测量精度。但目前圆光栅制造技术难以在短时间内突破，势必要通过其他一些方法以提高关节式坐标测量机的测量精度，并且不破坏目前关节式坐标测量机现有的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关节式坐标测量机锁止式转轴及其标定方法，该转轴相较于传统转轴，设计了一种锁止机构，这种锁止机构能保证关节式坐标测量机在工作时，仅受到较小操作力时，第一转轴能锁止于某一位置。并且该转轴在安装于关节式坐标测量机前，通过相应标定方法进行标定，配合较低精度的圆光栅编码器即可达到高回转精度，在保证关节式坐标测量机便携性和经济性的前提下，提高了测量机的测量精度。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：

本发明一种关节式坐标测量机锁止式转轴，由转轴主轴、转轴外壳、第一轴承、外隔圈、内隔圈、第二轴承、中空锁紧螺柱、内锁紧螺母、读数头芯片模块、低精度圆光栅盘、锁止球、弹簧和标定机组成；所述的标定机包括夹具、高精度圆光栅盘和编码器读数头；所述转轴主轴的最细端位于转轴外壳内，转轴主轴和转轴外壳同轴设置；转轴主轴最细端上沿粗端至细端方向依次设置第一轴承、隔圈组件、第二轴承和锁紧组件；所述的隔圈组件包括内隔圈和外隔圈；所述的锁紧组件包括内锁紧螺母和中空锁紧螺柱；内隔圈套置在转轴主轴最细端上；第一轴承和第二轴承内圈均与转轴主轴最细端配合连接；第一轴承和第二轴承的外圈以及外隔圈的外圆面均与转轴外壳的内圆面配合连接；内隔圈和外隔圈在转轴主轴轴向上的位置相同，外隔圈内径大于内隔圈的外径；第一轴承和第二轴承的内圈通过转轴主轴的轴肩以及内隔圈轴向定位，第一轴承和第二轴承的外圈通过转轴外壳端部一体成型的内挡边以及外隔圈轴向定位；内锁紧螺母与转轴主轴最细端外圆面的螺纹连接，并压紧第二轴承的内圈；中空锁紧螺柱与转轴外壳内圆面的螺纹连接，并压紧第二轴承的外圈；低精度圆光栅盘同轴固定在转轴主轴最细端端面上；读数头芯片模块同轴固定在转轴外壳上，并与低精度圆光栅盘相对且间距设置；转轴主轴与转轴外壳相对的端面上开设有周向均布的n个圆孔，n≥18，各圆孔通过弹簧连接有锁止球；转轴外壳与转轴主轴相对的端面上开设有锁止球滚动轨道，且锁止球滚动轨道底部开设有周向均布的n个锁止槽；所述的锁止槽顶面呈圆形，且该圆形半径与锁止球滚动轨道的宽度以及锁止球的球面半径相等；所有锁止球均与锁止球滚动轨道构成滑动副。

所述的锁止球位于锁止槽时，转轴主轴处于工作位，此时读数头芯片模块读取低精度圆光栅盘的角度数据，关节臂坐标测量机的主机设备根据该角度判断转轴主轴属于几号锁止位，调取该锁止位对应的高精度角度数据；锁止球位于锁止球滚动轨道上时，转轴主轴处于非工作位。

所述的弹簧为压缩弹簧。

所述的锁止槽为球形槽或锥型槽。

该关节式坐标测量机锁止式转轴的标定方法，具体如下：

步骤一、将转轴外壳夹持于夹具上；

步骤二、将高精度圆光栅盘同轴固定于转轴主轴粗端端面上；

步骤三、通过夹具固定编码器读数头，使得编码器读数头对准高精度圆光栅盘上的光栅；

步骤四、将转轴主轴转动至某一锁止位，使得所有锁止球均位于锁止槽内，此时转轴主轴处于稳定状态，记该锁止位为一号锁止位，编码器读数头读取高精度圆光栅盘的角度数据θ₁，并传给关节臂测量机的主机设备；

步骤五、转动转轴主轴，使得所有锁止球脱出锁止槽，进入滚动轨道，直至转轴转动至下一个锁止位，此时所有锁止球位于锁止槽内，编码器读数头读取高精度圆光栅盘的角度数据，并传给关节臂测量机的主机设备；

步骤六、重复步骤五，重复过程中，转轴主轴沿同一方向转动，直至取得所有锁止位的角度数据θ₁、θ₂，…，θ₃₆；

步骤七、记转轴主轴位于一号锁止位时的角度为0度，则转轴主轴位于i号锁止位时的角度为θ_i-θ₁，i＝1，2，…，36；

步骤八、将高精度圆光栅盘从转轴主轴上拆除，转轴外壳从夹具上取下。

本发明具有的有益效果：

1、根据关节式坐标测量机实际使用情况，利用多个经标定的高精度的锁止位作为角度基准替代原来一般精度的圆光栅角度编码器所提供的角度基准，保持了测量机原有的自由度的情况下，提高了关节式坐标测量机锁止式转轴的转动精度。

2、相比较于一般形式的转轴，该关节式坐标测量机锁止式转轴中可采用较低精度、体积较小的圆光栅角度编码器，有效减小关节式坐标测量机锁止式转轴体积，且降低了测量机的制造成本。

3、采用锁止形式的转轴，有效减少了测量过程中因操作者的手部抖动造成的第一关节抖动而产生的测量误差。

4、采用了圆周均布的多个锁止位的设计形式，有着误差均化的效应，使得锁定位误差最小。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明锁止球处于锁止槽内的示意图；

图3为本发明锁止球处于锁止球滚动轨道内的示意图；

图4为本发明的转轴主轴立体图；

图5为本发明的转轴外壳立体图；

图6为本发明的标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

如图1、4和5所示，一种关节式坐标测量机锁止式转轴，由转轴主轴1、转轴外壳2、第一轴承3、外隔圈4、内隔圈5、第二轴承6、中空锁紧螺柱7、内锁紧螺母8、读数头芯片模块9、低精度圆光栅盘10、锁止球11、弹簧12和标定机组成；标定机包括夹具201、高精度圆光栅盘203和编码器读数头204；转轴主轴1最细端位于转轴外壳2内，转轴主轴1和转轴外壳2同轴设置；转轴主轴1最细端上沿粗端至细端方向依次设置第一轴承3、隔圈组件、第二轴承6和锁紧组件；隔圈组件包括内隔圈5和外隔圈4；锁紧组件包括内锁紧螺母8和中空锁紧螺柱7；内隔圈5套置在转轴主轴1最细端上；第一轴承3和第二轴承6内圈均与转轴主轴1最细端配合连接；第一轴承3和第二轴承6的外圈以及外隔圈4的外圆面均与转轴外壳2的内圆面配合连接；内隔圈5和外隔圈4在转轴主轴1轴向上的位置相同，外隔圈4内径大于内隔圈5的外径；第一轴承3和第二轴承6的内圈通过转轴主轴的轴肩以及内隔圈5轴向定位，第一轴承3和第二轴承6的外圈通过转轴外壳端部一体成型的内挡边以及外隔圈4轴向定位，即内隔圈5的两个端面分别与第一轴承3的内圈和第二轴承6的内圈接触，外隔圈4的两个端面分别与第一轴承3的外圈和第二轴承6的外圈接触，转轴主轴1的轴肩与第一轴承3的内圈接触，转轴外壳2的内挡边与第一轴承3的外圈接触；内锁紧螺母8与转轴主轴1最细端外圆面的螺纹连接，并压紧第二轴承6的内圈；中空锁紧螺柱7与转轴外壳2内圆面的螺纹连接，并压紧第二轴承6的外圈；低精度圆光栅盘10同轴固定在转轴主轴1最细端端面上；读数头芯片模块9同轴固定在转轴外壳2上，并与低精度圆光栅盘10相对且间距设置；读数头芯片模块9端面与低精度圆光栅盘10的距离符合圆光栅角度编码器使用要求；转轴主轴1与转轴外壳2相对的端面上开设有周向均布的三十六个圆孔，各圆孔通过弹簧12连接有锁止球11；转轴外壳2与转轴主轴1相对的端面上开设有锁止球滚动轨道，且锁止球滚动轨道底部开设有周向均布的三十六个锁止槽；锁止槽顶面呈圆形，且该圆形半径与锁止球滚动轨道的宽度以及锁止球11的球面半径相等；所有锁止球11均与锁止球滚动轨道构成滑动副。

如图2和3所示，转轴主轴发生锁止时，锁止球位于锁止槽中，转轴主轴处于工作状态，读数头芯片模块9读取低精度圆光栅盘10的角度数据，关节臂坐标测量机的主机设备根据该角度判断转轴主轴属于几号锁止位，调取该锁止位对应的高精度角度数据；转轴主轴未发生锁止时，锁止球位于锁止球滚动轨道上，转轴主轴处于非工作状态。

弹簧12为压缩弹簧。

锁止槽为球形槽或锥型槽。

转轴主轴旋转一周共经过36个锁止位，即工作位，其余为非工作位。

如图6所示，本发明一种关节式坐标测量机锁止式转轴的标定方法，具体如下：

步骤一、将本发明转轴202的转轴外壳2夹持于夹具201上，确保转轴主轴转动时，转轴外壳不发生转动；

步骤二、将高精度圆光栅盘203同轴固定于转轴主轴粗端端面上，高精度圆光栅盘203能随转轴主轴一起转动；

步骤三、通过夹具固定编码器读数头204，使得编码器读数头204对准高精度圆光栅盘203上的光栅，编码器读数头204端面与高精度圆光栅盘203端面的端面距离符合读数头使用要求；

步骤四、将转轴主轴转动至某一锁止位，使得所有锁止球均位于锁止槽内，此时转轴主轴处于稳定状态，记该锁止位为一号锁止位，编码器读数头读取高精度圆光栅盘203的角度数据θ₁，并传给关节臂测量机的主机设备；

步骤五、转动转轴主轴，使得所有锁止球脱出锁止槽，进入滚动轨道，直至转轴转动至下一个锁止位，此时所有锁止球位于锁止槽内，编码器读数头读取高精度圆光栅盘203的角度数据θ，并传给关节臂测量机的主机设备；

步骤六、重复步骤五，重复过程中，转轴主轴沿同一方向转动，直至取得所有锁止位的角度数据θ₁、θ₂，…，θ₃₆；

步骤七、记转轴主轴位于一号锁止位时的角度为0度，则转轴主轴位于i号锁止位时的角度为θ_i-θ₁，i＝1，2，…，36；

步骤八、将高精度圆光栅盘203从转轴主轴上拆除，转轴外壳2从夹具201上取下。

本发明一种关节式坐标测量机锁止式转轴在标定完成后，高精度圆光栅角度编码器的精度即为各个锁止位的角度精度；实际使用中，读数头芯片模块9读取低精度圆光栅盘10的角度数据，关节臂坐标测量机的主机设备根据该角度判断转轴主轴属于几号锁止位，调取该锁止位对应的高精度角度数据。可见，本发明采用较低精度、体积较小的圆光栅角度编码器就能达到高精度圆光栅角度编码器的测量精度，有效减小了关节式坐标测量机锁止式转轴体积，降低了测量机的制造成本，且在保证关节式坐标测量机便携性和经济性的前提下，提高了测量机的测量精度。

Claims (5)

1.一种关节式坐标测量机锁止式转轴，其特征在于：由转轴主轴、转轴外壳、第一轴承、外隔圈、内隔圈、第二轴承、中空锁紧螺柱、内锁紧螺母、读数头芯片模块、低精度圆光栅盘、锁止球、弹簧和标定机组成；所述的标定机包括夹具、高精度圆光栅盘和编码器读数头；所述转轴主轴的最细端位于转轴外壳内，转轴主轴和转轴外壳同轴设置；转轴主轴最细端上沿粗端至细端方向依次设置第一轴承、隔圈组件、第二轴承和锁紧组件；所述的隔圈组件包括内隔圈和外隔圈；所述的锁紧组件包括内锁紧螺母和中空锁紧螺柱；内隔圈套置在转轴主轴最细端上；第一轴承和第二轴承内圈均与转轴主轴最细端配合连接；第一轴承和第二轴承的外圈以及外隔圈的外圆面均与转轴外壳的内圆面配合连接；内隔圈和外隔圈在转轴主轴轴向上的位置相同，外隔圈内径大于内隔圈的外径；第一轴承和第二轴承的内圈通过转轴主轴的轴肩以及内隔圈轴向定位，第一轴承和第二轴承的外圈通过转轴外壳端部一体成型的内挡边以及外隔圈轴向定位；内锁紧螺母与转轴主轴最细端外圆面的螺纹连接，并压紧第二轴承的内圈；中空锁紧螺柱与转轴外壳内圆面的螺纹连接，并压紧第二轴承的外圈；低精度圆光栅盘同轴固定在转轴主轴最细端端面上；读数头芯片模块同轴固定在转轴外壳上，并与低精度圆光栅盘相对且间距设置；转轴主轴与转轴外壳相对的端面上开设有周向均布的n个圆孔，n≥18，各圆孔通过弹簧连接有锁止球；转轴外壳与转轴主轴相对的端面上开设有锁止球滚动轨道，且锁止球滚动轨道底部开设有周向均布的n个锁止槽；所述的锁止槽顶面呈圆形，且该圆形半径与锁止球滚动轨道的宽度以及锁止球的球面半径相等；所有锁止球均与锁止球滚动轨道构成滑动副；

标定过程中，转轴外壳夹持于夹具上；高精度圆光栅盘同轴固定于转轴主轴粗端端面上；夹具固定编码器读数头，使得编码器读数头对准高精度圆光栅盘上的光栅。

2.根据权利要求1所述的一种关节式坐标测量机锁止式转轴，其特征在于：所述的锁止球位于锁止槽时，转轴主轴处于工作位，此时读数头芯片模块读取低精度圆光栅盘的角度数据，关节臂坐标测量机的主机设备根据该角度判断转轴主轴属于几号锁止位，调取该锁止位对应的高精度角度数据；锁止球位于锁止球滚动轨道上时，转轴主轴处于非工作位。

3.根据权利要求1所述的一种关节式坐标测量机锁止式转轴，其特征在于：所述的弹簧为压缩弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种关节式坐标测量机锁止式转轴，其特征在于：所述的锁止槽为球形槽或锥型槽。

5.根据权利要求1所述的一种关节式坐标测量机锁止式转轴的标定方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、将转轴外壳夹持于夹具上；

步骤二、将高精度圆光栅盘同轴固定于转轴主轴粗端端面上；

步骤三、通过夹具固定编码器读数头，使得编码器读数头对准高精度圆光栅盘上的光栅；

步骤四、将转轴主轴转动至某一锁止位，使得所有锁止球均位于锁止槽内，此时转轴主轴处于稳定状态，记该锁止位为一号锁止位，编码器读数头读取高精度圆光栅盘的角度数据θ₁，并传给关节臂测量机的主机设备；

步骤五、转动转轴主轴，使得所有锁止球脱出锁止槽，进入滚动轨道，直至转轴转动至下一个锁止位，此时所有锁止球位于锁止槽内，编码器读数头读取高精度圆光栅盘的角度数据，并传给关节臂测量机的主机设备；

步骤六、重复步骤五，重复过程中，转轴主轴沿同一方向转动，直至取得所有锁止位的角度数据θ₁、θ₂，…，θ₃₆；

步骤七、记转轴主轴位于一号锁止位时的角度为0度，则转轴主轴位于i号锁止位时的角度为θ_i-θ₁，i=1，2，…，36；

步骤八、将高精度圆光栅盘从转轴主轴上拆除，转轴外壳从夹具上取下。