CN112595275A - 三坐标测量机z轴平衡保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三坐标测量机Z轴平衡保护系统，包括控制器、气源、平衡气缸、气浮块、主供气管路、第一供气支路和第二供气支路，第一供气支路上设置有精密调压阀和第一压力检测元件，第二供气支路上设置有减压阀、第二压力检测元件和电磁阀，仅当第一压力检测元件检测到的气压达到第一设定压力且第二压力检测元件检测到的气压达到第二设定压力时，控制器输出用于控制电磁阀打开的信号。本发明实现了无论气源是否稳定，只有在三坐标测量机Z轴处于平衡之后，气浮块所在第二供气支路才能接通或者断开，从而提高了对Z轴保护的可靠性，有效防止Z轴坠落。

Description

三坐标测量机Z轴平衡保护系统

技术领域

本发明涉及三坐标测量机技术领域，具体是一种三坐标测量机Z轴平衡保护系统。

背景技术

三坐标测量机的Z轴由于重力作用会下落，必须有平衡机构加以平衡，使它随时处于平衡状态。目前最常用的平衡机构有三种，一种为气动平衡，另外一种为重锤平衡，还有一种是依靠电机用高减速比的减速器来平衡。其中以气动平衡最为常见，即通过精密平衡气缸产生的浮力来平衡Z轴的重量（F=P*S），保证Z轴在竖直方向时刻处于平衡状态，进而保证机器的测量精度及机器的安全。

影响Z轴平衡的因素有很多，例如气源气压的不稳定性，皮带涨紧力、机械压力开关的不稳定性、精密调压阀的降压功能、平衡气缸的直径、气路的布置方式等，这些因素都会影响Z轴的平衡，如果气路控制系统设计不当，会导致测头被撞坏或者Z轴撞坏或者测量的工件被撞坏，存在严重的安全隐患。

Z轴下落一般在两种过程中发生：

开机过程：打开气源和控制器，气体同时进入平衡气缸和主机，由于平衡气缸是一个充气过程，气缸充气需要时间，在平衡气缸充满气之前，气浮块已经浮起，Z轴的重力大于其受到的浮力，因此Z轴会下落。

气源气压缓慢下降过程：当气源气压缓慢下降时候，由于机械压力开关的不稳定性等因素的影响，当平衡气缸的气压已经下降并且浮力小于Z轴的重量时，气浮块还处于浮起状态，因此Z轴会下落。

发明内容

本发明提供一种三坐标测量机Z轴平衡保护系统，提高对Z轴的保护作用，有效防止Z轴坠落。

为达到上述技术效果，本发明采用的技术方案是，一种三坐标测量机Z轴平衡保护系统，包括：

控制器、气源、平衡气缸、气浮块、主供气管路、第一供气支路和第二供气支路，所述主供气管路的进气端连接所述气源，所述第一供气支路及所述第二供气支路的进气端均连接在所述主供气管路的出气端上，所述第一供气支路的出气端连接在所述平衡气缸上，所述第二供气支路的出气端连接在所述气浮块上；

所述主供气管路上设有气源开关和过滤器，所述第一供气支路上沿气流流向依次设置有精密调压阀和第一压力检测元件，所述第二供气支路上沿气流流向依次设置有减压阀、第二压力检测元件和电磁阀；

所述第一压力检测元件具有第一设定压力，所述第二压力检测元件具有第二设定压力和第三设定压力，所述第二设定压力大于所述第三设定压力且所述第三设定压力大于所述第一设定压力，所述第一设定压力和所述精密调压阀的设定压力均等于所述平衡气缸的平衡压力；

所述第一压力检测元件和所述第二压力检测元件串联在所述控制器的电路上，仅当所述第一压力检测元件检测到的气压达到所述第一设定压力且所述第二压力检测元件检测到的气压达到所述第二设定压力时，所述控制器输出用于控制所述电磁阀打开的信号。

所述三坐标测量机Z轴平衡保护系统还包括延迟控制单元，其设在所述控制器和所述电磁阀之间，用于延迟输出用于控制所述电磁阀打开的信号。

所述第一供气支路上还设有单向阀，所述单向阀位于所述精密调压阀的上游。

所述第一压力检测元件和所述第二压力检测元件均为常开压力开关，或者所述第一压力检测元件和所述第二压力检测元件均为压力传感器。

所述第二供气支路上还设有位于所述电磁阀与所述气浮块之间的第三压力检测元件，所述第三压力检测元件与所述控制器连接，所述第三压力检测元件具有第四设定压力，所述第四设定压力小于所述主供气管路的工作压力且大于所述第二设定压力；当所述第三压力检测元件检测到的压力低于所述第四设定压力时，所述控制器输出控制所述三坐标测量机停机的信号。

所述气源包括空压机和储气罐。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

本发明三坐标测量机Z轴平衡保护系统，实现了无论气源是否稳定，只有在三坐标测量机平衡气缸达到平衡气压之后，也即Z轴处于平衡状态之后，气浮块所在第二供气支路才对应接通或断开，从而提高了对Z轴的保护可靠性，有效防止Z轴坠落。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例三坐标测量机Z轴平衡保护系统的结构示意图。

图2为本发明实施例三坐标测量机Z轴平衡保护系统实施例中平衡气缸与Z轴的装配结构示意图。

附图标记：1、控制器；2、延迟控制单元；3、气源；3-1、空压机；3-2、储气罐；4、平衡气缸；4-1、活塞；4-2、钢丝绳；4-3、缸体；5、气浮块；6、主供气管路；7、第一供气支路；8、第二供气支路；9、气源开关；10、精密调压阀；11、第一压力检测元件；12、减压阀；13、第二压力检测元件；14、电磁阀；15、第三压力检测元件；16、Z轴；17、单向阀；18、过滤器。

具体实施方式

参照图1，本实施例一种三坐标测量机Z轴平衡系统，包括控制器1、气源3、平衡气缸4、气浮块5、主供气管路6、第一供气支路7和第二供气支路8，主供气管路6的进气端A连接气源3，第一供气支路7的进气端B及第二供气支路8的进气端C均连接在主供气管路6的出气端D上，第一供气支路7的出气端E连接在平衡气缸4上以实现气源3通过第一供气支路7对平衡气缸4供气，第二供气支路8的出气端F连接在气浮块5上以实现气源3通过第二供气支路8对气浮块5供气；主供气管路6上设有气源开关9和过滤器18，第一供气支路7上沿气流流向依次设置有精密调压阀10和第一压力检测元件11，第二供气支路8上沿气流流向依次设置有减压阀12、第二压力检测元件13和电磁阀14。

第一压力检测元件11用于检测平衡气缸4的气压，其具有第一设定压力P1，第二压力检测元件13具有第二设定压力P2和第三设定压力P3，第二设定压力P2大于第三设定压力P3，且第三设定压力P3大于第一设定压力P1，第一设定压力P1以及精密调压阀10的设定压力Pset均等于平衡气缸4的平衡压力P。

其中，气源开关9控制主供气管路6的通断，第一压力检测元件11用于检测平衡气缸4的气压，第二压力检测元件13是用来监控电磁阀14上游气压压力。

精密调压阀10为一种精密的减压阀，是采用控制阀体内的启闭件的开度来调节介质的流量，将介质的压力降低，同时借助阀后压力的作用调节启闭件的开度，使阀后压力保持在一定范围内，在进口压力不断变化的情况下，保持出口压力在设定的范围内，控制的是阀后压力耗，跟普通减压阀相比，精密调压阀出口压力低，波动小。以平衡气缸4的内径为25mm，根据F=P*S计算，可以得出3psi≈1kg，因此平衡气缸4的气压波动对于Z轴16的平衡有很大的影响，因此采用精密调压阀10调节气压来获得满足Z轴16平衡的气压。

减压阀12是一种普通减压阀，调节进入第二供气支路8中气体压力，其出口压力取决于负载压力大小，当负载压力小于其调定压力时，减压阀是不工作的，阀口全开，进出口压力相等等于负载压力；当负载压力大于等于其调定压力时，减压阀工作，阀口关小，使得出口压力等于其调定压力调压阀调节进入主机气路气体压力的装置，例如主出气支路6的工作压力是58psi，减压阀12的调定压力P_调为58psi，则通过该减压阀12将进入第二供气支路8的压力调整为58psi，当该减压阀12的输入气压≥58psi时，其输出气压为58psi，当该减压阀12的输入气压＜58psi时，输入气压和输出气压相等，例如该减压阀12上游的气压为30psi时，则气体通过其调压出来的气压是30psi，使得输出气压自动保持稳定。

电磁阀14是一个电动控制开关，其受到第一压力检测元件11和第二压力检测元件13的控制，当第一压力检测元件11和第二压力检测元件13均达到各自对应的设定压力值时，控制器1才控制电磁阀14打开，第二供气支路8通气，当第一压力检测元件11和第二压力检测元件13其中有一个没有达到对应的设定压力，则电磁阀14处于关闭状态，第二供气支路8断开。

过滤器18具体位于气源开关9的下游，其作用在于过滤掉主供气管路6中气体中的杂质，比如水、油、颗粒等，保证进入平衡气缸4及气浮块5中的气体干净。

三坐标测量机一般包含X、Y、Z三个方向，三个方向一般都是通过气浮块在气浮导轨上面运动。对于Z轴16上的气浮块5，在第二供气支路8通气前，Z轴16依靠自身与气浮块5之间的静摩擦力来保持静止；当第二供气支路8通气后，气浮块5浮起来，和Z轴16脱离，两者之间有10μm左右的气浮间隙，如果Z轴16及平衡气缸4的重量＞平衡气缸4气压产生的浮力，则Z轴16下落；当Z轴16及平衡气缸4的重量=平衡气缸4气压产生的浮力时，则Z轴16处于平衡状态；当Z轴16及平衡气缸4的重量＜平衡气缸4气压产生的浮力，则Z轴16会向上运动。

参照图2，平衡气缸4的活塞4-1通过一钢丝绳4-2伸出缸体4-3而连接在三坐标测量机的一固定部上，比如在三坐标测量机上固定设置一平衡支架，平衡支架的顶端位于平衡气缸4和Z轴16的上方，平衡气缸4的缸体4-3上端固定在Z轴16的上面，缸体4-3随着Z轴16的运动上下运动，当Z轴向下运动时，平衡气缸4的缸体4-3随之向下运动，平衡气缸4是排气过程，当Z轴向上运动时，平衡气缸4的缸体4-3随之向上运动，平衡气缸4是充气过程，图2中箭头所示即为平衡气缸4内气压对平衡气缸4及Z轴6产生的浮力方向。

本实施例中具体以三坐标测量机整机工作压力为58psi（即主供气管路6的工作压力P0为58psi）、精密调压阀10的设定压力Pset为28psi、平衡压力P为28psi、第一压力检测元件11的第一设定压力P1为28psi、第二压力检测元件13（检测电磁阀14和减压阀12之间气压）的第二设定压力P2为38psi、第三设定压力P3为37psi、减压阀12的调定压力P_调为58psi为例，对本实施例的具体工作原理进行说明。

具体地，当第一压力检测元件11检测的压力到达第一设定压力P1即28psi时，且当第二压力检测元件13检测的压力到达第二设定压力P2即38 psi，控制器1才控制电磁阀14打开，第二供气支路8通气，否则电磁阀14断开，第二供气支路8断开，不对气浮块5供气。

三坐标测量机开机过程：打开气源开关9和控制器1，气体首先通过精密调压阀10进入平衡气缸4，当第一压力检测元件11检测到的压力达到第一设定压力P1（28psi）时，平衡气缸4的气压可能并未真正达到其平衡压力P（28psi），由于精密调压阀10是一个减压阀，其精密调压阀10的设定压力Pset为28psi，则只有当精密调压阀10的进气压力达到大于28psi（通常要≥32psi）时，平衡气缸4的输入气压才能达到其平衡压力P（28psi）；第二压力检测元件13的第二设定压力P2为38psi，由于整机工作压力为58psi（即主供气管路6的工作压力P0为58psi），减压阀12的调定压力P_调定为58psi，则当第二压力检测元件13达到其第二设定压力P2（38psi）时，精密调压阀10上游的气压也是38psi，由于38psi＞28psi且38psi＞32psi，这样在电磁阀14打开之前就确保了平衡气缸4的气压达到了28psi，也就是Z轴16达到了平衡（Z轴16及平衡气缸4的重力=平衡气缸4内气压产生的浮力），此时控制器1控制电磁阀14打开，第二供气支路8实现通气，气浮块5脱离Z轴16，Z轴16已处于平衡状态。

在第二供气支路8通气之前（电磁阀14打开之前），平衡气缸4已经达到了平衡气压（Z轴16及平衡气缸4的重力=平衡气缸4内气压产生的浮力），且Z轴16和气浮块5是抱死的，Z轴16不会下落；当电磁阀14打开后，第二供气支路8通气，气浮块5浮起来，Z轴16及平衡气压4由于其重力等于浮力，其处于平衡状态，也不会下落。

三坐标测量机气源气压缓慢下降过程：控制器1仍处于工作状态，气源3气压缓慢下降至第二压力检测元件13检测到第二供气支路8上的气压降至低于其第二设定压力P2（即38psi），比如降至其第三设定压力P3（即37psi）时，控制器1控制电磁阀14关闭，第二供气支路8断气，气浮块5抱死Z轴16；当第二供气支路8上的气压降至37psi时，此时精密调压阀10进气侧气压也是37psi，大于其设定压力Pset（28psi），从而可保证其输出压力是28psi，即平衡气缸4的压力能达到28psi，进而保证了Z轴是处于平衡状态的，也就是说当电磁阀14关闭时，平衡气缸4已达到了平衡压力，进而保证了Z轴处于平衡状态。

由于对于内径比较大、容量大的平衡气缸4，充气较慢，在电磁阀14与控制器1之间设置了延迟控制单元2，控制器1接收到第一压力检测元件11和第二压力检测元件13的信号时，可能存在平衡气缸4并未达到平衡气缸的情况。为解决此问题，本实施例中三坐标测量机Z轴平衡保护系统还包括延迟控制单元2，其设在控制器1和电磁阀14之间，用于延迟输出用于控制电磁阀14打开的信号。即在控制器1接收到第一压力检测元件11和第二压力检测元件13的信号时，电磁阀14不会立即打开，需要延迟一段时间（通常为5S）后，电磁阀14才会打开，进一步给予平衡气缸4充分的充气时间，充分保障了平衡气缸4能够达到平衡气压。延迟控制单元2延迟的时间可以根据实际情况进行设置，从理论上来讲，延迟时间越长越好，但是延迟时间太长的话，会导致开机时间长，需要根据Z轴16的重量、平衡气缸4的直径、气源3情况等做好设置。

延迟控制单元2是通常以可编程线延时芯片和单片机为基础，通过设计可编程延时控制系统，以达到对时间进行精密时延控制的一类控制器，其可以对控制器1向电磁阀14发出的控制信号起到一个延迟作用，即第一压力检测元件11和第二压力检测元件13都达到对应的设定压力时，控制器1不会立即控制电磁阀14打开，而是延迟一段时间，以保证平衡气缸4有充足的时间充满气体，进而可靠保证Z轴16的平衡。

对于第一压力检测元件11和第二压力检测元件13，其可以均为常开压力开关，或者第一压力检测元件11和第二压力检测元件13均为压力传感器，本实施例中对此可不做具体限制。

进一步地，第一供气支路7上还设有单向阀17，单向阀17位于精密调压阀10的上游。单向阀17只允许气体单向流动，本实施例中为从气源3流向平衡气缸4，不允许气体从平衡气缸4流向气源3，在气压降低的过程中，当机器停止运动后，Z轴16不再运动，平衡气缸4不再运动，则平衡气缸4的气体跑得相对比较慢，单向阀17阻止了平衡气缸4的气体流向气源3，在一定程度上保证了Z轴16的平衡。

进一步地，在第二供气支路8上还设有位于电磁阀14与气浮块5之间的第三压力检测元件15，第三压力检测元件15与控制器1电连接。第三压力检测元件15具有第四设定压力P4，第四设定压力P4小于主供气管路6的工作压力P0且大于第二设定压力P2；当第三压力检测元件15检测到的压力低于第四设定压力P4时，控制器1输出控制三坐标测量机停机的信号。第三压力检测元件15是一个气路保护压力检测元件，本实施例中以整机工作气压为58psi、第四设定压力P4为51psi为例进行说明，当第二供气支路8上的气压降低至51psi时，控制器1收到第三压力检测元件15的压力信号后，会控制测量机停机，因为当气压低的时候，气浮块5和Z轴16之间的气浮间隙会变小，如果机器继续运动，会导致气浮块5和Z轴16发生摩擦，损伤机器。由于第四设定压力P4（51psi）大于第二设定压力P2（38psi），此时电磁阀14仍处于打开状态，第二出气支路8还处于通气状态，随着气压继续降低，等到气压降低到37psi时，S1压力开关关闭，则电磁阀关闭，主机气路断气，气浮块5抱死Z轴16，保证Z轴16不会下落。

同理，第三压力检测元件15也可以为常开压力开关或者压力传感器。

本实施例中气源3包括空压机3-1和储气罐3-2。空压机3-1是压缩空气的设备，生产符合设备需要的气压，三坐标测量机对气源压力的要求一般为0.5MPa-0.79MPa，储气罐3-2是储存气体的设备。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种三坐标测量机Z轴平衡保护系统，其特征在于，包括：

控制器、气源、平衡气缸、气浮块、主供气管路、第一供气支路和第二供气支路，所述主供气管路的进气端连接所述气源，所述第一供气支路及所述第二供气支路的进气端均连接在所述主供气管路的出气端上，所述第一供气支路的出气端连接在所述平衡气缸上，所述第二供气支路的出气端连接在所述气浮块上；

所述主供气管路上设有气源开关和过滤器，所述第一供气支路上沿气流流向依次设置有精密调压阀和第一压力检测元件，所述第二供气支路上沿气流流向依次设置有减压阀、第二压力检测元件和电磁阀；

所述第一压力检测元件具有第一设定压力，所述第二压力检测元件具有第二设定压力和第三设定压力，所述第二设定压力大于所述第三设定压力且所述第三设定压力大于所述第一设定压力，所述第一设定压力和所述精密调压阀的设定压力均等于所述平衡气缸的平衡压力；

仅当所述第一压力检测元件检测到的气压达到所述第一设定压力且所述第二压力检测元件检测到的气压达到所述第二设定压力时，所述控制器输出用于控制所述电磁阀打开的信号。

2.根据权利要求1所述的三坐标测量机Z轴平衡保护系统，其特征在于，

所述三坐标测量机Z轴平衡保护系统还包括延迟控制单元，其设在所述控制器和所述电磁阀之间，用于延迟输出用于控制所述电磁阀打开的信号。

3.根据权利要求1或2所述的三坐标测量机Z轴平衡保护系统，其特征在于，

所述第一供气支路上还设有单向阀，所述单向阀位于所述精密调压阀的上游。

4.根据权利要求1或2所述的三坐标测量机Z轴平衡保护系统，其特征在于，

所述第一压力检测元件和所述第二压力检测元件均为常开压力开关，或者所述第一压力检测元件和所述第二压力检测元件均为压力传感器。

5.根据权利要求1或2所述的三坐标测量机Z轴平衡保护系统，其特征在于，

所述第二供气支路上还设有位于所述电磁阀与所述气浮块之间的第三压力检测元件，所述第三压力检测元件与所述控制器连接，所述第三压力检测元件具有第四设定压力，所述第四设定压力小于所述主供气管路的工作压力且大于所述第二设定压力；当所述第三压力检测元件检测到的压力低于所述第四设定压力时，所述控制器输出控制所述三坐标测量机停机的信号。

6.根据权利要求1或2所述的三坐标测量机Z轴平衡保护系统，其特征在于，

所述气源包括空压机和储气罐。

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