CN110296651A - 一种微型精密三坐标检测机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，属于精密测量技术领域。设计一种微型多轴运动平台，其结构包括棒式旋转电机和直线旋转基座，棒式旋转电机是一种基于直线驱动技术和直驱旋转技术相结合的新型电机,上位机通过总线控制多台驱动器进而使得电机既能够在Y轴方向实现直线运动又能够在XZ平面内做旋转运动，直线旋转基座是在传统的链传动基础上设计一种辊子式的拉线机构，通过合理的设计主动辊和从动辊的位置和连接关系，保证了滑台在两台电机的差动作用下既能够沿着X轴方向做直线运动又可以围绕自身轴线在XY平面内做旋转运动，棒式旋转电机和直线旋转基座联合动作，使得安装在执行机构末端的探针能够实现XYZ空间内的多自由度运动。

Description

一种微型精密三坐标检测机及其控制方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，具体地说是一种微型精密三坐标检测机及其控制方法。

背景技术

三坐标测量仪是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量机或三坐标量床。三坐标传统的三坐标测量设备均搭建在龙门框架上，测量仪可在三个相互垂直的导轨上移动，借助探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统（如光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点（x，y，z）及各项功能测量的仪器。但是龙门的尺寸会限制被检测对象的尺寸，要检测大型的工件必须使用大型的三坐标测量仪。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种微型精密三坐标检测机及其控制方法。

本发明的核心技术思想是：设计一种微型多轴运动平台，其结构包括棒式旋转电机和直线旋转基座，棒式旋转电机是一种基于直线驱动技术和直驱旋转技术相结合的新型电机,通过总线控制多台驱动器进而使得电机既能够在Y轴方向实现直线运动又能够在XZ平面内做旋转运动，直线旋转基座是在传统的链传动基础上设计一种辊子式的拉线机构，通过合理的设计主动辊和从动辊的位置和连接关系，保证了滑台既能够沿着X轴方向做直线运动又可以围绕自身轴线在XY平面内做旋转运动。

棒式旋转电机和直线旋转基座联合动作，使得安装在执行机构末端的探针能够实现XYZ空间内的多自由度运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，包括棒式旋转电机和直线旋转基座，棒式旋转电机包括定子磁轭和动子磁轭两部分，定子磁轭由第一磁轭、第二磁轭和第三磁轭拼接而成，第一磁轭内安装第一线圈A、第一线圈B和第一线圈C，第二磁轭内安装第二线圈A、第二线圈B和第二线圈C，第三磁轭内安装第三线圈A、第三线圈B和第三线圈C，第一磁轭、第二磁轭和第三磁轭中的线圈采用星型连接的方式，线圈的出线端安装单刀双掷开关，动子磁轭包括轴和永磁体，永磁体黏贴在轴的开口槽内，轴的两端有耐磨铜套，耐磨铜套安装在铜套支架内，铜套支架固定在转台上，转台上安装大齿轮，轴的端部安装探针。

直线旋转基座包括第一辊子、第二辊子、第三辊子、第四辊子、第五辊子和第六辊子，第一辊子和第三辊子在第一支架上，第一辊子的转轴上安装第一电机，第二辊子和第四辊子安装在第二支架上，第四辊子的转轴上安装第二电机，第五辊子和第六辊子安装在滑台上，第一辊子、第二辊子、第三辊子、第四辊子、第五辊子和第六辊子的结构相同，包括上槽道和下槽道两部分，辊子的转轴轴线与安装面垂直，第一辊子和第二辊子之间有第三钢丝，第二辊子和第六辊子之间有第四钢丝，第六辊子和第四辊子之间有第五钢丝，第三辊子和第四辊子之间有第一钢丝，第三辊子和第五辊子之间有第二钢丝，第一辊子和第五辊子之间有第六钢丝，钢丝缠绕在上槽道和下槽道内，钢丝的两次端头分别固定在相互连接的两个辊子上。

第五辊子和第六辊子的转轴上分别安装第一小齿轮和第二小齿轮，第一小齿轮和第二小齿轮之间有大齿轮，大齿轮安装在大齿轮支架的底部，大齿轮支架安装在滑台上。

滑台安装在滑块上，滑块安装在导轨上，第一支架、第二支架和导轨安装在大理石底座上。

棒式旋转电机的控制方法包括旋转运动控制和直线运动控制两种，在旋转运动控制状态下，单刀双掷开关正向导通，使得第一磁轭、第二磁轭和第三磁轭中的三组线圈构成三组星型连接电路，每一组电路分别伸出U、V、W三相接头，三根定义相同的接头以并联的方式接入第一驱动器的输出端；在直线运动状态下，单刀双掷开关反向导通，使得第一磁轭、第二磁轭和第三磁轭中同一字母结尾的的三组线圈构成三组星型连接电路，例如第一线圈A、第二线圈A和第三线圈A构成一组星型连接电路，每一组电路分别伸出U、V、W三相接头，三根定义相同的接头以并联的方式接入第二驱动器的输出端。

本发明的一种微型精密三坐标检测机及其控制方法与现有技术相比所产生的有益效果是：

（1）本发明设计的棒式旋转电机能够实现在Y轴方向的直线往复运动和XZ平面内的旋转运动，使得探针能够对工件内的孔道进行连续的闭合性检测，相比于传统的打点检测方式而言，使用本设备检测获得数据更加的精准。

（2）本发明设计的直线旋转基座，通过控制两侧主电机的转速和转向既能够实现转台沿着导轨移动又能够使得转台围绕转轴在XY平面内摆动，使得探针能够检测与导轨成任意角度的平面和孔道，避免了翻转工件的麻烦。

（3）使用辊轮和钢丝来实现滑台的运动，相比于传统的链传动而言，设备运行噪音更小，高速性能更好。

附图说明

附图1是本发明结构A-A剖面俯视图；

附图2是本发明结构B-B剖面俯视图；

附图3是本发明结构俯视图；

附图4是本发明结构主视图；

附图5是本发明结构棒式电机旋转状态接线图；

附图6是本发明结构棒式电机滑动状态接线图；

附图7是本发明结构棒式电机线圈接线图；

图中，1、第一辊子，101、上槽道，102、下槽道， 2、第二辊子， 3、第三辊子，4、第四辊子，5、第五辊子，6、第六辊子，7、滑台，8、第一支架，9、第二支架， 10、第一钢丝，11、第二钢丝，12、第三钢丝，13、第四钢丝，14、第五钢丝，15、第六钢丝，16、导轨，17、滑块，18、转台，19、定子磁轭，19A、第一磁轭，19B、第二磁轭，19C、第三磁轭，20、动子磁轭，201、轴，202、永磁体，21A、第一线圈A,21B、第一线圈B,21C、第一线圈C,22A、第二线圈A,22B、第二线圈B,22C、第二线圈C,23A、第三线圈A,23B、第三线圈B,23C、第三线圈C,24、单刀双掷开关，25、第一小齿轮，26、第二小齿轮，27、大齿轮，28、耐磨铜套，29、铜套支架，30、探针，31、第一电机，32、第二电机，33、大齿轮支架，34、大理石底座。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的作以下详细说明。

一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，包括棒式旋转电机和直线旋转基座，棒式旋转电机包括定子磁轭19和动子磁轭20两部分，定子磁轭19由第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C拼接而成，第一磁轭19A内安装第一线圈A21A、第一线圈B21B和第一线圈C21C，第二磁轭19B内安装第二线圈A22A、第二线圈B22B和第二线圈C22C，第三磁轭19C内安装第三线圈A23A、第三线圈B23B和第三线圈C23C，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C中的线圈采用星型连接的方式，线圈的出线端安装单刀双掷开关24，动子磁轭20包括轴201和永磁体202，永磁体202黏贴在轴201的开口槽内，轴201的两端有耐磨铜套28，耐磨铜套28安装在铜套支架29内，铜套支架29固定在转台18上，转台18上安装大齿轮27，轴201的端部安装探针30。

轴201加工开口槽，永磁体202通过专用胶水粘贴到开口槽里。

作为本发明的第一实施例，轴201上对应第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C中线圈的位置分别等间距的粘贴多排小块永磁体，永磁体的极性按照N、S、N...排列。

作为本发明的第二实施例，轴201上对应第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C中线圈的位置分别等间距的粘贴单排大块永磁体，永磁体的极性按照N、S、N...排列。

作为本发明的第一实施例，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C采用有铁芯结构，铁芯为硅钢片叠焊而成，硅钢片内有齿槽，齿槽内缠绕线圈，线圈的个数为偶数。

作为本发明的第一实施例，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C采用有铁芯结构，铁芯通过定位销插接在一起，磁轭内的齿槽对齐。

作为本发明的第二实施例，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C采用有铁芯结构，铁芯通过粘合剂粘合在一起，磁轭内的齿槽对齐。

作为本发明的第三实施例，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C采用有无芯结构，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C内的线圈通过灌注环氧树脂进行定位。

作为本发明的第一实施例，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C两端安装密封盖。

作为本发明的第一实施例，耐磨铜套28内镶嵌钢珠，轴201在耐磨铜套28内既能实现轴向移动又能实现径向转动。

直线旋转基座包括第一辊子1、第二辊子2、第三辊子3、第四辊子4、第五辊子5和第六辊子6，第一辊子1和第三辊子3在第一支架8上，第一辊子1的转轴上安装第一电机31，第二辊子2和第四辊子4安装在第二支架9上，第四辊子4的转轴上安装第二电机32，第五辊子5和第六辊子6安装在滑台7上，第一辊子1、第二辊子2、第三辊子3、第四辊子4、第五辊子5和第六辊子6的结构相同，包括上槽道101和下槽道102两部分，辊子的转轴轴线与安装面垂直，第一辊子1和第二辊子2之间有第三钢丝12，第二辊子2和第六辊子6之间有第四钢丝13，第六辊子6和第四辊子4之间有第五钢丝14，第三辊子3和第四辊子4之间有第一钢丝10，第三辊子3和第五辊子5之间有第二钢丝11，第一辊子1和第五辊子5之间有第六钢丝15，钢丝缠绕在上槽道101和下槽道102内，钢丝的两次端头分别固定在相互连接的两个辊子上。

作为本发明的第一实施例，相连的两个辊子绕线的线槽一致，例如，从第一辊子1下槽道发出的第三钢丝12接入到第二辊子2的下槽道中，从第二辊子2上槽道发出的第四钢丝13接入到第六辊子6的上槽道中。。

作为本发明的第一实施例，第一辊子1、第二辊子2、第三辊子3、第四辊子4、第五辊子5和第六辊子6之间的连接钢丝单独安装，钢丝在辊子上缠绕一定匝数后再发出缠绕下一级辊子。

作为本发明的第二实施例，第一辊子1、第二辊子2、第三辊子3、第四辊子4、第五辊子5和第六辊子6之间的连接钢丝为一整条钢丝，钢丝在每个辊子上缠绕一定匝数后再发出缠绕下一级辊子。

作为本发明的第一实施例，当第一电机31和第二电机32顺时针等速旋转时，滑台7静止不动，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26同速逆时针旋转。

作为本发明的第一实施例，当第一电机31和第二电机32逆时针等速旋转时，滑台7静止不动，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26同速顺时针旋转。

作为本发明的第一实施例，当第二电机32静止，第一电机31顺时针转动时，滑台7沿着X轴负方向行进，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26逆时针等速旋转。

反之，当第二电机32静止，第一电机31逆时针转动时，滑台7沿着X轴正方向行进，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26顺时针等速旋转。

作为本发明的第一实施例，当第一电机31静止，第二电机32逆时针转动时，滑台7沿着X轴负方向行进，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26顺时针等速旋转。

反之，当第一电机31静止，第二电机32顺时针转动时，滑台7沿着X轴正方向行进，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26逆时针等速旋转。

作为本发明的第一实施例，当第一电机31顺时针，第二电机32逆时针等速转动时，滑台7沿着X轴负方向行进，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26静止不旋转。

反之，第一电机31逆时针，第二电机32顺时针等速转动时，滑台7沿着X轴正方向行进，滑台7上的第一小齿轮25和第二小齿轮26静止不旋转。

第五辊子5和第六辊子6的转轴上分别安装第一小齿轮25和第二小齿轮26，第一小齿轮25和第二小齿轮26之间有大齿轮27，大齿轮27安装在大齿轮支架33的底部，大齿轮支架33安装在滑台7上。

滑台7安装在滑块17上，滑块17安装在导轨16上，第一支架8、第二支架9和导轨16安装在大理石底座34上。

棒式旋转电机的控制方法包括旋转运动控制和直线运动控制两种，在旋转运动控制状态下，单刀双掷开关24正向导通，使得第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C中的三组线圈构成三组星型连接电路，每一组电路分别伸出U、V、W三相接头，三根定义相同的接头以并联的方式接入第一驱动器的输出端；在直线运动状态下，单刀双掷开关24反向导通，使得第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C中同一字母结尾的的三组线圈构成三组星型连接电路，例如第一线圈A21A、第二线圈A22A和第三线圈A23A构成一组星型连接电路，每一组电路分别伸出U、V、W三相接头，三根定义相同的接头以并联的方式接入第二驱动器的输出端。

作为本发明的第一实施例，单刀双掷开关24采用电子芯片MAX4568，芯片的正向导通和反向导通信号由上位机发出。

作为本发明的第一实施例，单刀双掷开关24正向导通时，第一线圈A21A、第一线圈B21B和第一线圈C21C构成星型连接电路，在驱动器的控制下，第一磁轭19A中形成环形交变磁场。

同理，第二磁轭19B和第三磁轭19C形成环形交变磁场。

进一步，在磁场的作用下，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C带动转轴围绕轴线转动。

进一步，转轴的端部安装绝对型编码器，编码器反馈的信号发送给驱动器，驱动器测量转轴的实际转动角度，并以此来实现电机的闭环控制。

作为本发明的第二实施例，单刀双掷开关24反向导通时，第一线圈A21A、第二线圈A22A和第三线圈A23A组成星型连接电路，在驱动器的控制下，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C中行成椭圆形交变磁场。

同理，第一线圈B21B、第二线圈B22B和第三线圈B23B形成环形交变磁场。

同理，第一线圈C21C、第二线圈C22C和第三线圈C23C形成环形交变磁场。

进一步，在磁场的作用下，第一磁轭19A、第二磁轭19B和第三磁轭19C带动转轴沿着转轴轴线移动。

综上，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域技术人员可以在本发明的指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，其特征在于，包括棒式旋转电机和直线旋转基座，所述棒式旋转电机包括定子磁轭（19）和动子磁轭（20）两部分，所述定子磁轭（19）由第一磁轭（19A）、第二磁轭（19B）和第三磁轭（19C）拼接而成，所述第一磁轭（19A）内安装第一线圈A（21A）、第一线圈B（21B）和第一线圈C（21C），所述第二磁轭（19B）内安装第二线圈A（22A）、第二线圈B（22B）和第二线圈C（22C），所述第三磁轭（19C）内安装第三线圈A（23A)、第三线圈B（23B）和第三线圈C（23C），所述第一磁轭（19A）、第二磁轭（19B）和第三磁轭（19C）中的线圈采用星型连接的方式，所述线圈的出线端安装单刀双掷开关（24），所述动子磁轭（20）包括轴（201）和永磁体（202），所述永磁体（202）黏贴在所述轴（201）的开口槽内，所述轴（201）的两端有耐磨铜套（28），所述耐磨铜套（28）安装在铜套支架（29）内，所述铜套支架（29）固定在转台（18）上，所述转台（18）上安装大齿轮（27），所述轴（201）的端部安装探针（30）。

2.根据权利要求1所述一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，其特征在于，所述直线旋转基座包括第一辊子（1）、第二辊子（2）、第三辊子（3）、第四辊子（4）、第五辊子（5）和第六辊子（6），所述第一辊子（1）和第三辊子（3）安装在第一支架（8）上，所述第一辊子（1）的转轴上安装第一电机（31），所述第二辊子（2）和第四辊子（4）安装在第二支架（9）上，所述第四辊子（4）的转轴上安装第二电机（32），所述第五辊子（5）和第六辊子（6）安装在滑台（7）上，所述第一辊子（1）、第二辊子（2）、第三辊子（3）、第四辊子（4）、第五辊子（5）和第六辊子（6）的结构相同，包括上槽道（101）和下槽道（102）两部分，所述辊子的转轴轴线与安装面垂直，所述第一辊子（1）和第二辊子（2）之间有第三钢丝（12），所述第二辊子（2）和第六辊子（6）之间有第四钢丝（13），所述第六辊子（6）和第四辊子（4）之间有第五钢丝（14），所述第三辊子（3）和第四辊子（4）之间有第一钢丝（10），所述第三辊子（3）和第五辊子（5）之间有第二钢丝（11），所述第一辊子（1）和第五辊子（5）之间有第六钢丝（15），所述钢丝缠绕在所述上槽道（101）和下槽道（102）内，钢丝的两侧端头分别固定在相互连接的两个辊子上。

3.根据权利要求2所述一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，其特征在于，所述第五辊子（5）和第六辊子（6）的转轴上分别安装第一小齿轮（25）和第二小齿轮（26），所述第一小齿轮（25）和第二小齿轮（26）之间有大齿轮（27），所述大齿轮（27）安装在大齿轮支架（33）的底部，所述大齿轮支架（33）安装在所述滑台（7）上。

4.根据权利要求2所述一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，其特征在于，所述滑台（7）安装在滑块（17）上，所述滑块（17）安装在导轨（16）上，所述第一支架（8）、第二支架（9）和导轨（16）安装在大理石底座（34）上。

5.根据权利要求1所述一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，其特征在于，所述棒式旋转电机的控制方法包括旋转运动控制和直线运动控制两种，在旋转运动控制状态下，单刀双掷开关（24）正向导通，使得第一磁轭（19A）、第二磁轭（19B）和第三磁轭（19C）中的三组线圈构成三组星型连接电路，每一组电路分别伸出U、V、W三相接头，三根定义相同的接头以并联的方式接入第一驱动器的输出端；在直线运动状态下，单刀双掷开关（24）反向导通，使得第一磁轭（19A）、第二磁轭（19B）和第三磁轭（19C）中同一字母结尾的的三组线圈构成三组星型连接电路，例如第一线圈A（21A)、第二线圈A（22A）和第三线圈A（23A）构成一组星型连接电路，每一组电路分别伸出U、V、W三相接头，三根定义相同的接头以并联的方式接入第二驱动器的输出端。

6.根据权利要求1所述一种微型精密三坐标检测机及其控制方法，其特征在于，所述直线旋转基座的控制方法是通过改变第一主电机（31）和第二主电机（32）的转速和转向，实现所述转台（18）的直线移动和绕轴转动。