CN111515756A - 一种面向在机测量功能集成的精密微调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种面向在机测量功能集成的精密微调装置属于检测技术领域，涉及一种面向在机测量功能集成的精密微调装置。精密微调装置由底座、基座、X方向滑动导轨组件、Y方向滑动导轨组件、三点定位机构和俯仰调节机构组成。该装置中，对传感器测头的X、Y两个方向先进行粗调，再利用微调机构进行微调整。俯仰调节机构中采用丝杠螺母驱动圆弧配合面的形式，实现微调装置的精密俯仰调节。该装置调节范围大、刚度高、结构紧凑，实现了传感器测头三个自由度的精密调节，位移分辨率可达微米级。调节快速、精度高、刚性好。同时，可拆卸的方式在避免测量装置会对加工过程造成干涉的同时，也减小了传感器测头受到损伤的可能性，实用性强。

Description

一种面向在机测量功能集成的精密微调装置
技术领域
本发明属于检测技术领域，涉及一种面向在机测量功能集成的精密微调装置。
背景技术
在机测量以数控机床为载体，附以相应的测量传感器即可在机床上实现零件几何特征的测量。特别地，面向多轴联动超精密车削机床，在其上集成在机测量功能已成为复杂超精密零件轮廓的基本保障，如在机触发式测量、在机扫描测量等等。需要关注的是，测头能否完成工件表面轮廓的精密在机测量任务，需精确保证传感器与机床的空间位姿关系，其关键在于集成装置对传感器空间位姿的精确调整能力。如对准等精确调整，一般都需要微米级甚至亚微米级的位移调节。目前主要采用基于手动位移台的调整方式，存在刚度低、调节范围小、精度低、耗时长等问题。同时，为避免二次装夹，装置一般不能拆卸，在加工过程中极易对传感器造成损伤。对于复杂曲面零件，常规的手动位移台组合形式已经无法满足复杂曲面在机精密测量需求。因此，优化精密调节装置构型，实现快速、精确地测头空间位姿调整，已成为超精密车床等高精度机床在机测量功能集成急迫解决的关键问题之一。
2018年，北京理工大学金鑫等在发明专利CN109352422A中公开了一种双头激光扫描多功能在机测量方法及装置，采用水平、竖直电机驱动平台十字叠加的方式实现水平和竖直检测方向变换。但装置稳定性较差，调节系统难以达到理想的精度。2019年，杭州电子科技大学胡违军等在发明专利CN110345859A中发明了一种实现测头位姿自调整的非球面面形摆臂式检测装置与方法，包括水平驱动机构、竖直调整装置和摆臂旋转平台等模块，该方法针双电容传感器测头，机构尺寸大、系统复杂，难以实现集成。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对在机测量中测头调节装置结构刚度低、调节范围小、位移精度不高而不能满足在机精密测量要求的难题，发明了一种面向在机测量功能集成的精密微调装置。精密微调装置的位移调节采用粗调和微调两步调节，微调时由两个螺旋副组成,使滑动座与螺杆产生差动的螺纹，利用较大螺纹的零件来产生微小位移，分辨率高，可实现对传感器测头两自由度的精密微调；设计了基于三点定位原理的三点定位机构，通过三个V型块、三个定位球的配合，实现了高精度可重复定位，在保证装配精度的前提下可对测头进行拆卸与反复装夹，减小了因加工过程中恶劣环境导致测头受损伤的可能性；俯仰调节机构中采用丝杠螺母驱动圆弧配合面的形式，实现精密微调装置的俯仰调节，调节范围大、刚度高、结构紧凑。本装置可集成于机床工作台，在保证测量精度的情况下，可实现传感器测头三自由度的精密微调与可重复装夹，有效提升了测量效率。
本发明所采用的技术方案是一种面向在机测量功能集成的精密微调装置，其特征是，精密微调装置由底座、基座、X方向滑动导轨组件、Y方向滑动导轨组件、三点定位机构和俯仰调节机构组成。
所述的底座1上加工有长孔1a，安装在机床工作台T型槽中的T型螺栓21通过长孔1a与底座1连接，用六角螺母35将底座1与机床工作台固定；底座1加工有不完全贯通的T型槽1c，底座1的右侧面上装有带有螺纹通孔的X方向安装板1b，X方向微调螺钉2安装在X方向安装板1b的螺纹孔中；
所述基座6的底面上加工有三个与定位球18配合的V型槽6b，三个V型槽6b呈90°分布，两个磁铁17呈对角线分布分别安装在磁铁安装槽6e中；基座6的中心加工有中心通孔6c，基座6上表面上加工有螺纹孔6a，Y方向微调螺钉7安装在螺纹孔中；基座6上表面、侧面分别加工有螺纹孔，上握柄32和左握柄5分别通过其上的螺纹安装在基座上表面和侧面的螺纹孔上，通过握柄方便实现精密微调装置的安装与拆卸；基座6由安装在X方向滑动座4上的三点定位机构实现精确定位，并通过安装在连接螺钉孔6d中的连接螺钉19与X方向滑动座4固定；
所述的X方向滑动导轨组件中，X方向滑动导轨3通过螺钉安装固定在底座1上表面上，X方向滑动座4安装在X方向滑动导轨3上，可沿X方向滑动导轨3滑动；紧定螺栓20安装在X方向滑动座4的中心孔中，通过螺纹与安装在底座T型槽1c中的紧定T型螺母30螺纹孔连接并锁紧，可以实现X方向滑动座4与底座1的固定；安装在X方向安装板1b螺纹孔中的X方向微调螺钉2与X方向滑动座4螺纹连接，X方向微调螺钉2上与X方向安装板1b螺纹孔、X方向滑动座4螺纹孔配合的两段螺纹旋向相同，当X方向微调螺钉2旋转一周时，X方向滑动座4在两螺纹差动之下产生微小位移，位移值为X方向微调螺钉2两段螺纹螺距之差；
所述的三点定位机构安装在X方向滑动座4与基座6之间，三个定位球18呈90°分别安装在X方向滑动座4的定位球安装圆孔4a中，两个磁铁17呈对角形分别安装在X方向滑动座4上的磁铁安装圆槽4b内；
所述的Y方向滑动导轨组件中，Y方向滑动导轨8安装固定在基座6前表面上，Y方向滑动座9安装在Y方向滑动导轨8上，Y方向滑动座9上加工有凹圆弧面9a；Y方向微调螺钉7安装在Y向螺纹孔6a中，并与Y方向滑动座9螺纹连接，Y方向微调螺钉7上与Y向螺纹孔6a、Y方向滑动座9螺纹孔配合的两段螺纹旋向相同，当Y方向微调螺钉7旋转一周时，Y方向滑动座9在两螺纹差动之下产生微小位移，位移值为Y方向微调螺钉7两段螺纹螺距之差；用安装在基座6上大压板28上的螺栓锁紧。
所述俯仰调节机构中采用丝杠螺母驱动圆弧配合面的形式，实现精密微调装置的俯仰调节；其中，传感器测头11安装在测头夹具12中，用测头锁紧螺钉10锁紧固定；测头夹具12通过夹具安装螺钉13安装固定在俯仰调整台14上，俯仰调整台14的一面加工有凸圆弧面14a，其与Y方向滑动座9上的凹圆弧面9a相配合；刻度盘16安装在Y方向滑动座9右侧面上，指针15通过螺钉安装在俯仰调整台14右侧面上；将两个轴承25分别安装在Y方向滑动座9和安装板24对应的安装孔内；丝杠螺母27为拨叉型结构，丝杠螺母27安装在丝杠23上，两个轴承25分别安装在Y方向滑动座9与安装板24相对应的安装孔内，再将丝杠23一端安装到轴承25的内孔中，装有轴承25的安装板24安装在丝杠23的另一端，用螺钉33将安装板24固定在Y方向滑动座9上；将导柱26放在丝杠螺母27的拨叉型沟槽内，再将导柱26安装在俯仰调整台14上，并用螺母34紧固；手轮22安装在丝杠23的端部，弹簧31安装在俯仰调整台14和Y方向滑动座9上；利用手轮22实现俯仰角度调节功能，调整完成后利用小压板29锁紧固定。
本发明的有益效果是：精密微调装置X、Y两个方向先粗调、再利用微调机构进行微调整，俯仰调节机构中采用丝杠螺母驱动圆弧配合面的形式，实现微调装置的精密俯仰调节。该装置调节范围大、刚度高、结构紧凑，实现测头三个自由度的精密调节，位移分辨率可达微米级。调节快速、调节精度高、刚性好。保证了测点位置控制的准确性与稳定性，有效提高了测量效率和测量精度。精密微调装置中设计了具备高重复定位精度的装夹方式，保证了测头拆卸后再次装夹的精确复位，可拆卸的方式在避免测量装置会对加工过程造成干涉的同时，也减小了测头受到损伤的可能性。
附图说明
附图1-精密微调装置立体示意图，附图2-精密微调装置左视图，附图3-精密微调装置主剖视图，附图4-基座底面的仰视图，附图5-是图3中A-A视图表示导柱26安装结构图。其中：1-底座、1a-长孔、1b-X方向安装板、1c-T型槽、2-X方向微调螺钉、3-X方向滑动导轨、4-X方向滑动座、4a-定位球安装圆孔、4b-磁铁安装圆槽、5-左握柄、6-基座、6a-Y向螺纹孔、6b-V型槽、6c-中心通孔、6d-连接螺钉孔、6e-磁铁安装槽，7-Y方向微调螺钉、8-Y方向滑动导轨、9-Y方向滑动座、9a-Y方向滑动座上的凹圆弧面、10-测头锁紧螺钉、11-传感器测头、12-测头夹具、13-夹具安装螺钉、14-俯仰调整台、14a-凸圆弧面、14b-吊耳、15-指针、16-刻度盘、17-磁铁、18-定位球、19-连接螺钉、20-紧定螺栓、21-T型螺栓、22-手轮、23-丝杠、24-安装板、25轴承、26-导柱、27-丝杠螺母、28-大压板、29-小压板、30-紧定T型螺母、31-弹簧、32-上握柄、33-螺钉，34-螺母，35-六角螺母。
具体实施方式
结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
一种面向在机测量功能集成的精密微调装置，其工作原理：底座1上加工有长孔1a，安装在机床工作台T型槽中的T型螺栓穿过长孔1a用六角螺母35将底座1与机床工作台固定；将X方向滑动座4在X方向滑动导轨3上滑动至合适的位置，可完成传感器测头11在X方向上的粗调。在粗调完成后，转动X方向微调螺钉2，实现传感器测头11在X方向的微调，调整完成后利用紧定螺栓20配合安装在T型槽1c中的紧定T型螺母30完成锁紧。同理，将Y方向滑动座9在Y方向滑动导轨8上滑动至合适的位置，可完成传感器测头11在Y方向的粗调，在粗调完成后转动Y方向微调螺钉7，实现传感器测头11在Y方向上的微调，调整完成后，利用大压板28上的螺栓完成锁紧。旋转手轮22带动丝杠23旋转，通过螺旋副驱动丝杠螺母27沿丝杠23轴向方向移动，丝杠螺母27为拨叉型结构，拨动导柱26使俯仰调整台14运动。俯仰调整台14与Y方向滑动座9之间在弹簧31拉力作用下，使圆弧面紧密配合接触，俯仰调整台14的运动轨迹为圆弧，从而带动传感器测头11运动实现俯仰角度的调节，调节完成后，利用小压板29上的螺栓完成锁紧。
如图1、图2、图3所示，精密微调装置安装如下：底座1上加工有长孔1a，将安装在机床工作台上的T型螺栓21穿过长孔1a，用六角螺母35锁紧，使底座1与机床工作台固定；长孔的设置可以使得底座安装不受T型槽间距的限制。
底座1安装完成之后，在X方向滑动座4上安装三点定位机构。三个定位球18呈90°分布安装到X方向滑动座4上的三个定位球安装圆孔4a中，两个磁铁17呈对角形的安装在X方向滑动座4的磁铁安装圆槽4b内，见图3、图4。安装完成之后，检查配合确认其牢固无松动。
安装X方向滑动导轨组件，将X方向滑动导轨3利用螺钉安装固定在底座1上，安装完成之后，检查配合确认其牢固无松动。再将装有三点定位机构的X方向滑动座4沿导轨方向安装在X方向滑动导轨3上，两者相配合。注意安装方向将X方向滑动座4带螺纹孔的一侧与底座1上X方向安装板1b的螺纹孔同侧安装，并使其可沿导轨运动无卡滞。将X方向微调螺钉2旋入X方向安装板1b的螺纹孔中，并顺次旋入X方向滑动座4中螺纹孔中，完成安装；紧定螺栓20安装在X方向滑动座4的中心孔中，穿过安装在T型槽1c中的紧定T型螺母螺纹孔并锁紧，可以实现X方向滑动座4与底座1的固定。
安装基座6，基座6上表面、侧面分别加工有螺纹孔，将左握柄5、上握柄32分别通过其上的螺纹与上表面与侧面的螺纹孔连接安装在基座上，通过握柄方便实现精密微调装置的安装与拆卸。基座6的底面上加工有两个磁铁安装孔和三个V型槽6a，分别与磁铁17和定位球18配装，如图4所示。基座6通过定位球18、V型槽6a可实现在X方向滑动座4上的精确定位，三个定位球18放置在三个V形槽6a中，每个V型槽限制2个自由度，完成基座定位。同时，安装在基座6与X方向滑动座4上的磁铁相互吸引，实现两固定件的夹紧，如若需要紧固，利用连接螺钉19实现基座6与X方向滑动座4连接和紧固，见图2。
再安装Y方向滑动导轨组件，Y方向滑动导轨8利用螺钉固定安装在基座6前表面上，将与导轨配合的Y方向滑动座9沿导轨方向安装在Y方向滑动导轨8上，两者相配合。注意安装方向将Y方向滑动座9带螺纹孔的一侧与Y方向安装板6b螺纹孔同侧安装，并使其可沿导轨运动无卡滞。将Y方向微调螺钉7旋入Y方向安装板6b的螺纹孔中，并顺次旋入Y方向滑动座9中螺纹孔中，完成连接安装；基座6与Y方向滑动座9的锁紧可用大压板28上的螺栓锁紧。
安装俯仰调节机构，俯仰调节机构中采用丝杠螺母驱动圆弧配合面的形式，实现精密微调装置的俯仰调节,如图1、2、3所示。俯仰调整台14的一面加工有凸圆弧面14a，其与Y方向滑动座9上的凹圆弧面9a相配合，刻度盘16安装在Y方向滑动座9右侧面上，指针15通过螺钉安装在俯仰调整台14右侧面上，与刻度盘16相对应。将两个轴承25分别安装在Y方向滑动座9和安装板24对应的安装孔内，并检查保证轴承外圈安装牢固无滑动。丝杠螺母27为拨叉型结构，丝杠螺母27旋入丝杠23上组成螺旋副，将导柱26放在丝杠螺母27的拨叉型沟槽内，再将导柱24安装在俯仰调整台14内的吊耳14b中，并用螺母34紧固，如图5所示。将安装板24利用螺钉33固定在Y方向滑动座9上，最后将手轮22拧紧在丝杠23上。弹簧31安装在俯仰调整台14和Y方向滑动座9上，完成俯仰调节装置的安装。利用手轮22可实现俯仰角度调节功能，调整完成后利用小压板29上的螺栓锁紧。
最后，将传感器测头11安装在测头夹具12中，用测头锁紧螺钉10锁紧固定；测头夹具12通过夹具安装螺钉13安装固定在俯仰调整台14上。
该装置操作方法如下：
(1)预安装，根据上述具体实施例中所述安装方式完成各零部件的安装，将精密微调装置安装在机床工作台上，调整至合适的位置使被测物处于传感器测量范围内。
(2)X方向粗调，将X方向微调螺钉2旋出X方向滑动座4的螺纹孔，并松开紧定螺栓20，此时X方向滑动座4可带动传感器测头11沿X方向导轨做大行程滑动，此时可粗调X方向位移，调整至合适的位置，完成X方向粗调。
(3)Y方向粗调，将Y方向微调螺钉7旋出Y方向滑动座9的螺纹孔内，并松开大压板28上的螺栓，此时Y方向滑动座9可带动传感器测头11沿Y方向导轨做大行程滑动，此时可粗调Y方向位移，调整至合适的位置，完成Y方向粗调。
(4)俯仰角度调节，松开小压板29上的螺栓，此时俯仰调整台14可沿圆弧面运动，拧动手轮22通过丝杠螺母驱动俯仰调整台14做圆弧运动，从而实现传感器测头11俯仰角度的调节，调节完成后，利用小压板29上的螺栓完成锁紧。
(5)X方向微调，将X方向微调螺钉2旋入X方向滑动座4的螺纹孔内，使X方向滑动座4沿X方向滑动导轨3做微小位移，调整至合适的位置后，拧紧紧定螺栓20完成锁紧。
(6)Y方向微调，松开大压板28上的螺栓，将Y方向微调螺钉7旋入Y方向滑动座9的螺纹孔内，继续转动使Y方向滑动座9沿Y方向滑动导轨8做微小位移，调整至合适的位置后，利用大压板28上的螺栓完成锁紧。
(7)重复步骤4-6，直至传感器位置满足测量要求。
精密微调装置通过X方向微调螺钉2、Y方向微调螺钉7和丝杠23，可以实现测头三个自由度的精密调节，位移分辨率可达微米级。调节精度高、刚性好、调节快速，实现了测头三个自由度的精密调节，保证了测点位置控制的准确性与稳定性，可满足在机精密测量要求，提高了测量效率和测量精度。高重复定位精度的装夹方式保证了测头拆卸后再次装夹的精确复位，在保护测头的同时避免测量装置会对加工过程造成干涉，实用性强。

Claims (1)

1.一种面向在机测量功能集成的精密微调装置，其特征是，精密微调装置由底座、基座、X方向滑动导轨组件、Y方向滑动导轨组件、三点定位机构和俯仰调节机构组成；
所述底座(1)上加工有长孔(1a)，安装在机床工作台T型槽中的T型螺栓(21)穿过长孔(1a)用六角螺母(35)将底座(1)与机床工作台固定；底座(1)上加工有不完全贯通的T型槽(1c)，底座(1)的右侧面上有带有螺纹通孔的安装板(1b)，X方向微调螺钉(2)安装在螺纹孔中；
所述基座(6)的底面上加工有三个与定位球(18)配合的V型槽(6b)，三个V型槽(6b)呈90°分布，两个磁铁(17)呈对角线分布分别安装在磁铁安装槽(6e)中；基座(6)的中心加工有中心通孔(6c)，基座(6)上还加工有用于连接的连接螺钉孔(6d)，基座(6)上表面上加工有螺纹孔(6a)，Y方向微调螺钉(7)安装在螺纹孔中；基座(6)上表面、侧面分别加工有螺纹孔，上握柄(32)和左握柄(5)分别通过其上的螺纹安装在基座上表面和侧面的螺纹孔上，通过握柄方便实现精密微调装置的安装与拆卸；基座(6)安装在X方向滑动座(4)上，基座(6)由安装在X方向滑动座(4)上的三点定位机构实现精确定位，并通过安装在连接螺钉孔(6d)中的连接螺钉(19)与X方向滑动座(4)固定；
所述的X方向滑动导轨组件中，X方向滑动导轨(3)通过螺钉安装固定在底座(1)上表面上，X方向滑动座(4)安装在X方向滑动导轨(3)上，沿X方向滑动导轨(3)滑动；紧定螺栓(20)安装在X方向滑动座(4)的中心孔中，通过螺纹与安装在底座T型槽(1c)中的紧定T型螺母(30)螺纹孔连接并锁紧，可以实现X方向滑动座(4)与底座(1)的固定；安装在X方向安装板(1b)螺纹孔中的X方向微调螺钉(2)与X方向滑动座(4)螺纹连接，X方向微调螺钉(2)上与X方向安装板(1b)螺纹孔和X方向滑动座(4)螺纹孔配合的两段螺纹旋向相同，当X方向微调螺钉(2)旋转一周时，X方向滑动座(4)在两螺纹差动之下产生微小位移，位移值为X方向微调螺钉(2)两段螺纹螺距之差；
所述的三点定位机构安装在X方向滑动座(4)与基座(6)之间，三个定位球(18)呈90°分别安装在X方向滑动座(4)的定位球安装圆孔(4a)中，两个磁铁(17)呈对角形分别安装在X方向滑动座(4)上的磁铁安装圆槽(4b)内，与基座(6)中两个磁铁(17)对应相吸；
所述的Y方向滑动导轨组件中，Y方向滑动导轨(8)固定安装在基座(6)前表面上，Y方向滑动座(9)安装在Y方向滑动导轨(8)上，Y方向滑动座(9)上加工有凹圆弧面(9a)；Y方向微调螺钉(7)安装在基座(6)上表面的螺纹孔中，并与Y方向滑动座(9)螺纹连接；Y方向微调螺钉(7)上与Y向螺纹孔(6a)和Y方向滑动座(9)螺纹孔配合的两段螺纹旋向相同，当Y方向微调螺钉(7)旋转一周时，Y方向滑动座(9)在两螺纹差动之下产生微小位移，位移值为Y方向微调螺钉(7)两段螺纹螺距之差；用安装在基座(6)上大压板(28)上的螺栓锁紧；
所述俯仰调节机构中采用丝杠螺母驱动圆弧配合面的形式，实现精密微调装置的俯仰调节；其中，传感器测头(11)安装在测头夹具(12)中，用测头锁紧螺钉(10)锁紧固定，测头夹具(12)通过夹具安装螺钉(13)安装固定在俯仰调整台(14)上；俯仰调整台(14)的一面加工有凸圆弧面(14a)，其与Y方向滑动座(9)上的凹圆弧面(9a)相配合，刻度盘(16)安装在Y方向滑动座(9)右侧面上，指针(15)通过螺钉安装在俯仰调整台(14)右侧面上，与刻度盘(16)相对应；将两个轴承(25)分别安装在Y方向滑动座(9)和安装板(24)对应的安装孔内；丝杠螺母(27)为拨叉型结构，丝杠螺母(27)安装在丝杠(23)上，再将丝杠(23)一端安装到轴承(25)的内孔中，装有轴承(25)的安装板(24)安装在丝杠(23)的另一端，用螺钉(33)将安装板(24)固定在Y方向滑动座(9)上；将导柱(26)放在丝杠螺母(27)的拨叉型沟槽内，再将导柱(26)安装在俯仰调整台(14)内的吊耳(14b)中，并用螺母(34)紧固；手轮(22)安装在丝杠(23)的端部，弹簧(31)安装在俯仰调整台(14)和Y方向滑动座(9)上，完成俯仰调节装置的安装；利用手轮(22)实现俯仰角度调节功能，调整完成后，利用小压板(29)上的螺栓锁紧固定。
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