CN114234798A

CN114234798A - 一种复合式坐标测量仪

Info

Publication number: CN114234798A
Application number: CN202111299508.2A
Authority: CN
Inventors: 王志伟; 曹葵康; 周健; 朱怡; 杨聪; 黄沄; 蔡雄飞; 徐一华
Original assignee: Tztek Technology Co Ltd
Current assignee: Tztek Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-03-25
Also published as: WO2023077860A1

Abstract

本发明提供了一种复合式坐标测量仪，属于高精测量领域，测量仪包括带地脚的花岗石底座、龙门侧立柱、Y轴移动台组件、X轴移动台组件、Z轴移动台组件、复合式测头组件、误差补偿单元、气控系统和控制台，本发明的复合式测量仪具备三种不同测量头，通过设置温度补偿、气压异常应对、速度及加速度异常控制提高了测量仪的精度和测控效率，测量精度能够达到亚微米甚至亚纳米级别，在工业测量领域可以广泛应用。

Description

一种复合式坐标测量仪

技术领域

本发明属于高精测量领域，具体涉及一种复合式坐标测量仪。

背景技术

坐标测量机(coordinate measurement machine，CMM)是一种常用的几何尺寸测量仪器，在制造业中有着广泛的应用。随着制造业的不断发展，工件的加工精度日益提高、几何形状日趋复杂、对生产效率的要求越来越高，传统的接触式坐标测量机越来越难以满足制造业发展需求。为此，出现了通用型高精度复合式坐标测量机，将接触式探针、影像测头、光学距离测头等多种测头集成在一台坐标测量机上，实现复杂几何形状工件的高精度快速测量。

然而，现有的方案中，如接触式探针和激光传感器-锥光全息传感器-X射线传感器的多传感器三维复合测量，其测量精度仍达不到高精度的亚微米甚至纳米级。因此，需要设计一种新型的具有对异常速度、气压、稳定感应和应急处理的复合式的测量仪。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合式坐标测量仪，其能解决上述问题。

一种复合式坐标测量仪，测量仪包括带地脚的花岗石底座、龙门侧立柱、 Y轴移动台组件、X轴移动台组件、Z轴移动台组件、复合式测头组件和控制台，所述Y轴移动台组件安装于所述花岗石底座的上部并位于两根龙门侧立柱之间设置，所述X轴移动台组件、的两端下部支撑在两根龙门侧立柱的顶部，所述Z轴移动台组件插接在所述X轴移动台组件中部并随之横向移动，所述复合式测头组件安装于Z轴移动台组件的下端并随之竖向移动，所述测量仪还包括一个底光源组件，所述底光源组件的上端连接至所述X轴移动台组件并随之横向移动，所述底光源组件的下端连接至所述Y轴移动台组件内部，并向上方提供底光，所述Y轴移动台组件、X轴移动台组件、Z轴移动台组件和复合式测头组件均与所述控制台电讯连接。

进一步的，所述Y轴移动台组件包括安装在花岗石底座上间隔设置的左右两个Y轴导轨，在两个Y轴导轨之间Y向设置Y轴直线电机定子、Y轴直线电机动子、Y侧气浮滑板和Y轴光栅单元，在两个所述Y轴导轨上安装多个Y向磁压钢片和磁铁座，一个上浮滑板通过所述磁铁座和Y向磁压钢片横跨的安装在两个Y轴导轨上；在所述上浮滑板上方设置检测载台和载台玻璃板。

进一步的，所述X轴移动台组件包括X轴横梁、X向气浮滑板组、X向磁压钢条、X轴直线电机定子、X轴直线电机动子；所述X轴横梁横跨在两根龙门侧立柱顶端固定设置，所述X向气浮滑板组的多个气浮滑板设置在所述X轴横梁的顶面和侧面，所述X向磁压钢条设置在所述X轴横梁的两侧面并于侧面设置的气浮滑板并排临近设置，所述X轴直线电机定子固定至一个侧面上的X 向磁压钢条和气浮滑板外表面上，所述X轴直线电机动子配套的连接至所述X 轴直线电机定子上；在所述X轴横梁中部设置Z向开口，用于安装Z轴移动台组件，并在所述X轴横梁底面临近所述Z向开口的横向边处设置X轴光栅单元。

进一步的，所述Z轴移动台组件包括装置包括Z轴支架、Z轴主体、Z轴电机组、锁控单元、限位单元、平衡单元和Z轴光栅单元；其中，Z轴主体、 Z轴电机组、锁控单元和限位单元连接至所述Z轴支架上，并由所述Z轴支架固定至所述X轴移动台组件上；所述Z轴电机组驱动所述Z轴主体竖向可控的移动，所述锁控单元和平衡单元用于在异常状态下锁定Z轴并停机，所述限位单元设置在所述Z轴主体上并限制Z轴主体的运动在限定行程阈值内。

进一步的，所述复合式测头组件包括接触式探针、影像测头和光谱共焦测头，融合标定后的复合式测头组件在Z轴移动台组件控制下沿着Z轴竖向移动，并独立或全部参与坐标测量。

进一步的，所述测量仪还包括误差补偿单元，所述误差补偿单元包括设置在Y轴移动台组件、X轴移动台组件、Z轴移动台组件的光栅单元处的温度传感器，用于实时测量温度数据进行温度误差补偿。

进一步的，所述测量仪还包括气控系统，所述气控系统包括气源、前置常压阀、三级过滤阀组、一级分流阀、三轴调压阀、三轴电磁开关、三轴分流阀、闸瓦调压阀和锁定电磁阀，所述三轴分流阀与Y轴移动台组件、X轴移动台组件、Z轴移动台组件连通；所述闸瓦调压阀与Z轴移动台组件设置的平衡气缸闸瓦连接，以实现对异常气压的停机应急反应；所述锁定电磁阀与Z轴移动台组件的锁控单元连接，以应对异常速度和加速度的锁定应急反应。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过本发明的复合式测量仪，具备三种不同测量头，通过设置温度补偿、气压异常应对、速度及加速度异常控制提高了测量仪的精度和测控效率，测量精度能够达到亚微米甚至亚纳米级别，在工业测量领域可以广泛应用。

附图说明

图1为本发明带防护罩的复合式坐标测量仪示意图；

图2为去除防护罩的复合式坐标测量仪的示意图；

图3为Y轴移动台组件的分解示意图；

图4为气控系统的气路示意图。

图中：

1、地脚；

2、花岗石底座；

3、龙门侧立柱；

4、Y轴移动台组件；401、Y轴导轨；402、Y轴直线电机定子；403、Y轴直线电机动子；404、Y侧气浮滑板；405、Y轴光栅单元；406、Y向磁压钢片； 407、磁铁座；408、上浮滑板；409、检测载台；4091、底光源腔；410、载台玻璃板；411、Y轴防脱块；412、缓冲单元；413、拖链；414、Y轴侧罩板； 415、Y轴风琴罩；

5、X轴移动台组件；501、X轴横梁；502、X向气浮滑板组；503、X向磁压钢条；504、X轴直线电机定子；505、X轴直线电机动子；506、X轴光栅单元；507、X轴侧罩板；508、X轴风琴罩；

6、Z轴移动台组件；601、Z轴支架；602、Z轴主体；603、Z轴电机组； 604、锁控单元；605、限位单元；606、平衡单元；607、Z轴护罩；

7、复合式测头组件；701、接触式探针；702、影像测头；703、光谱共焦测头；

8、底光源组件；801、底光源直线电机；802、底光源转接板；803、底光源L形转接架；804、底光源本体；

9、气控系统；901、气源；902、前置常压阀；903、三级过滤阀组；904、一级分流阀；905、三轴调压阀；906、三轴电磁开关；907、三轴分流阀；908、闸瓦调压阀；909、锁定电磁阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本说明书中所使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、 “一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

一种复合式坐标测量仪，参见图1-图3，测量仪包括带地脚1的花岗石底座2、龙门侧立柱3、Y轴移动台组件4、X轴移动台组件5、Z轴移动台组件6、复合式测头组件7、底光源组件8和控制台。

整体布置：Y轴移动台组件4安装于所述花岗石底座2的上部并位于两根龙门侧立柱3之间设置，所述X轴移动台组件5、的两端下部支撑在两根龙门侧立柱3的顶部，所述Z轴移动台组件6插接在所述X轴移动台组件5中部并随之横向移动，所述复合式测头组件7安装于Z轴移动台组件6的下端并随之竖向移动，所述测量仪还包括一个底光源组件8，所述底光源组件8的上端连接至所述X轴移动台组件5并随之横向移动，所述底光源组件8的下端连接至所述Y轴移动台组件4内部，并向上方提供底光，所述Y轴移动台组件4、X 轴移动台组件5、Z轴移动台组件6和复合式测头组件7均与所述控制台电讯连接。

其中，所述Y轴移动台组件4包括安装在花岗石底座2上间隔设置的左右两个Y轴导轨401，在两个Y轴导轨401之间Y向设置Y轴直线电机定子402、 Y轴直线电机动子403、Y侧气浮滑板404和Y轴光栅单元405，在两个所述Y 轴导轨401上安装多个Y向磁压钢片406和磁铁座407，一个上浮滑板408通过所述磁铁座407和Y向磁压钢片406横跨的安装在两个Y轴导轨401上；在所述上浮滑板408上方设置检测载台409和载台玻璃板410。

进一步的，所述Y轴移动台组件4还包括设置在Y轴导轨401外侧边的Y 轴防脱块411和缓冲单元412，并在一个Y轴导轨401的外侧设置拖链413。

进一步的，所述载台玻璃板410设置在所述检测载台409的顶面，在所述检测载台409的中部开设底光源腔4091，所述底光源组件8的下端可控的在所述底光源腔4091内横向移动，并透过所述载台玻璃板410向上方提供底光。

进一步的，所述Y轴移动台组件4还包括设置在Y轴导轨401外周包覆Y 轴侧罩板414，Y轴导轨401顶面设置Y轴风琴罩415将检测载台409未覆盖处包覆。

其中，所述X轴移动台组件5包括X轴横梁501、X向气浮滑板组502、X 向磁压钢条503、X轴直线电机定子504、X轴直线电机动子505；所述X轴横梁501横跨在两根龙门侧立柱3顶端固定设置，所述X向气浮滑板组502的多个气浮滑板设置在所述X轴横梁501的顶面和侧面，所述X向磁压钢条503设置在所述X轴横梁501的两侧面并于侧面设置的气浮滑板并排临近设置，所述 X轴直线电机定子504固定至一个侧面上的X向磁压钢条503和气浮滑板外表面上，所述X轴直线电机动子505配套的连接至所述X轴直线电机定子504上；在所述X轴横梁501中部设置Z向开口，用于安装Z轴移动台组件6，并在所述X轴横梁501底面临近所述Z向开口的横向边处设置X轴光栅单元506。

进一步的，所述X轴移动台组件5还包括设置在X轴横梁501外周的X轴侧罩板507，X轴侧罩板507顶面设置X轴风琴罩508将X轴移动台组件5的顶面未覆盖处包覆，起到防尘和保护作用。

其中，所述Z轴移动台组件6包括装置包括Z轴支架601、Z轴主体602、 Z轴电机组603、锁控单元604、限位单元605、平衡单元606和Z轴光栅单元，其中：

Z轴主体602、Z轴电机组603、锁控单元604、限位单元605和平衡单元 606连接至所述Z轴支架601上，并由所述Z轴支架601固定至所述X轴移动台组件5上。

所述Z轴电机组603驱动所述Z轴主体602竖向可控的移动，所述锁控单元604用于在异常状态下锁定Z轴并停机，所述限位单元605设置在所述Z轴主体602上并限制Z轴主体602的运动在限定行程阈值内。

进一步的，所述锁控单元604包括锁定气缸、锁定压板、弹簧和制动柱(图未示)，通过锁定气缸动作将两个制动柱之间的距离缩短，以将两者之间的Z 轴主体602锁紧定位。

进一步的，所述平衡单元606包括平衡气缸、气缸活塞杆和位于活塞杆外周的闸瓦(图未示)，活塞杆顶端与Z轴主体602机械固定连接；通过气控系统推动闸瓦将活塞杆锁紧定位，实现Z轴主体602的气压平衡控制。

进一步的，Z轴移动台组件6还包括Z轴护罩607套接在其外周，进行碰撞、灰尘等的抵御防护。

其中，复合式测头组件7包括接触式探针701、影像测头702和光谱共焦测头703，融合标定后的复合式测头组件7在Z轴移动台组件6控制下沿着Z 轴竖向移动，并独立或全部参与坐标测量。

其中，所述底光源组件8设置在所述复合式测头组件7下方且可控的横向移动，且所述底光源组件8包括安装于X轴移动台组件5的X向气浮滑板组 502上的底光源直线电机801，一个底光源转接板802安装于所述底光源直线电机801的动子上并随之可控的横向移动，一个底光源L形转接架803的两端分别连接所述底光源转接板802和一个底光源本体804，通过底光源L形转接架803将底光源本体804置于所述检测载台409的底光源腔4091中。

进一步的，所述测量仪还包括误差补偿单元，所述误差补偿单元包括设置在Y轴移动台组件4、X轴移动台组件5、Z轴移动台组件6的光栅单元处的温度传感器，用于实时测量温度数据进行温度误差补偿。

进一步的，测量仪还包括气控系统9，所述气控系统9包括气源901、前置常压阀902、三级过滤阀组903、一级分流阀904、三轴调压阀905、三轴电磁开关906、三轴分流阀907、闸瓦调压阀908和锁定电磁阀909，所述三轴分流阀907与Y轴移动台组件4、X轴移动台组件5、Z轴移动台组件6连通；所述闸瓦调压阀908与Z轴移动台组件6设置的平衡气缸闸瓦连接，以实现对异常气压的停机应急反应；所述锁定电磁阀909与Z轴移动台组件6的锁控单元604连接，以应对异常速度和加速度的锁定应急反应。

平衡及锁定控制示例说明：

Z轴动平衡：复合式测头组件7(以下简称测头)装在Z轴移动台组件6(以下简称Z轴)下端，若Z轴失去平衡或速度及加速度过快容易使测头受到损伤。为保护测头及Z轴安全，需对Z轴状态实施监控，一旦复

机械运动的保护：若Y轴移动台组件4、X轴移动台组件5、Z轴移动台组件6的气浮导轨或气浮滑板压缩空气压力达不到额定值，气悬浮不能保证，会使机械运动的精度下降，负载增加造成机械部分损坏，测量精度也无法保证。因此，须对气浮导轨或气浮滑板对应的气路压力状态进行监控，在进气主回路中安装一个压力传感器，若气压达不到额定值，传感器输出值低于设定阈值，机械部分处于锁定状态。在测量仪处于运动状态时，若气压突然下降，低于阈值，则传感器发出紧急制动信号，使直线电机停止运动，锁定机械部分。同时，控制软件报警。

具体如下：

利用气缸使Z轴处于动态平衡状态，如图4所示的气路图，防止Z轴失去平衡或速度过快使测头受到损伤。平衡单元606的平衡气缸上部装有一个盘形闸瓦。若气缸压力正常，闸瓦打开；若压力低于设定的阈值，闸瓦立即锁紧，将活塞杆抱紧，防止Z轴自行下落。当气源901供气压力达到压力下限时，锁定电磁阀909打开，锁定气缸松开；当气源压力达到三轴调压阀905的压力设定下限时，三轴电磁开关906打开通气；当Z轴平衡气缸的闸瓦调压阀908处压力开关或XYZ三轴模组对应三轴调压阀905处供气气压低于设定气压0.03MP 时，压力开关的信号通过I/O口反馈给ACS控制器，使直线电机急停，并同时切断锁控单元604的锁定气缸和XYZ模组供气的三轴电磁开关906及锁定电磁阀909，XYZ三轴模组抱紧。

温度补偿：每个轴的光栅组件两端部均贴装温度传感器，取两个温度传感器的均值为该轴光栅尺的温度ts，在被测件上另设置一个温度传感器tp,计算测量结果L的修正量ΔL，对温度误差进行实时补偿。

ΔL＝L(α_pt_p-α_st_s)……………………………………式1；

式中：α_p为被测件的线膨胀系数(1/℃)，

Δt_p为被测件温度相对于20℃的偏差(℃)，

α_s为光栅尺的线膨胀系数，

Δt_s为光栅尺温度相对于20℃的偏差。

由于ΔL只与光栅尺、被测件的温度和线膨胀系数有关，而与机器框架的温度和线膨胀系数无关，光栅尺采用一端固定一端浮动安装方式，避免采用两端固定时，标尺线膨胀系数受框架影响。

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

1.一种复合式坐标测量仪，其特征在于：测量仪包括带地脚(1)的花岗石底座(2)、龙门侧立柱(3)、Y轴移动台组件(4)、X轴移动台组件(5)、Z轴移动台组件(6)、复合式测头组件(7)和控制台，所述Y轴移动台组件(4)安装于所述花岗石底座(2)的上部并位于两根龙门侧立柱(3)之间设置，所述X轴移动台组件(5)、的两端下部支撑在两根龙门侧立柱(3)的顶部，所述Z轴移动台组件(6)插接在所述X轴移动台组件(5)中部并随之横向移动，所述复合式测头组件(7)安装于Z轴移动台组件(6)的下端并随之竖向移动，所述测量仪还包括一个底光源组件(8)，所述底光源组件(8)的上端连接至所述X轴移动台组件(5)并随之横向移动，所述底光源组件(8)的下端连接至所述Y轴移动台组件(4)内部，并向上方提供底光，所述Y轴移动台组件(4)、X轴移动台组件(5)、Z轴移动台组件(6)和复合式测头组件(7)均与所述控制台电讯连接。

2.根据权利要求1所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述Y轴移动台组件(4)包括安装在花岗石底座(2)上间隔设置的左右两个Y轴导轨(401)，在两个Y轴导轨(401)之间Y向设置Y轴直线电机定子(402)、Y轴直线电机动子(403)、Y侧气浮滑板(404)和Y轴光栅单元(405)，在两个所述Y轴导轨(401)上安装多个Y向磁压钢片(406)和磁铁座(407)，一个上浮滑板(408)通过所述磁铁座(407)和Y向磁压钢片(406)横跨的安装在两个Y轴导轨(401)上；在所述上浮滑板(408)上方设置检测载台(409)和载台玻璃板(410)。

3.根据权利要求2所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述Y轴移动台组件(4)还包括设置在Y轴导轨(401)外侧边的Y轴防脱块(411)和缓冲单元(412)，并在一个Y轴导轨(401)的外侧设置拖链(413)。

4.根据权利要求2或3所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述载台玻璃板(410)设置在所述检测载台(409)的顶面，在所述检测载台(409)的中部开设底光源腔(4091)，所述底光源组件(8)的下端可控的在所述底光源腔(4091)内横向移动，并透过所述载台玻璃板(410)向上方提供底光。

5.根据权利要求2所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述X轴移动台组件(5)包括X轴横梁(501)、X向气浮滑板组(502)、X向磁压钢条(503)、X轴直线电机定子(504)、X轴直线电机动子(505)；所述X轴横梁(501)横跨在两根龙门侧立柱(3)顶端固定设置，所述X向气浮滑板组(502)的多个气浮滑板设置在所述X轴横梁(501)的顶面和侧面，所述X向磁压钢条(503)设置在所述X轴横梁(501)的两侧面并于侧面设置的气浮滑板并排临近设置，所述X轴直线电机定子(504)固定至一个侧面上的X向磁压钢条(503)和气浮滑板外表面上，所述X轴直线电机动子(505)配套的连接至所述X轴直线电机定子(504)上；在所述X轴横梁(501)中部设置Z向开口，用于安装Z轴移动台组件(6)，并在所述X轴横梁(501)底面临近所述Z向开口的横向边处设置X轴光栅单元(506)。

6.根据权利要求2所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述Z轴移动台组件(6)包括装置包括Z轴支架(601)、Z轴主体(602)、Z轴电机组(603)、锁控单元(604)、限位单元(605)、平衡单元(606)和Z轴光栅单元，其中，

Z轴主体(602)、Z轴电机组(603)、锁控单元(604)、限位单元(605)和平衡单元(606)连接至所述Z轴支架(601)上，并由所述Z轴支架(601)固定至所述X轴移动台组件(5)上；

所述Z轴电机组(603)驱动所述Z轴主体(602)竖向可控的移动，所述锁控单元(604)和平衡单元(606)用于在异常状态下锁定Z轴并停机，所述限位单元(605)和设置在所述Z轴主体(602)上并限制Z轴主体(602)的运动在限定行程阈值内。

7.根据权利要求2所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述复合式测头组件(7)包括接触式探针(701)、影像测头(702)和光谱共焦测头(703)，融合标定后的复合式测头组件(7)在Z轴移动台组件(6)控制下沿着Z轴竖向移动，并独立或全部参与坐标测量。

8.根据权利要求6所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述底光源组件(8)设置在所述复合式测头组件(7)下方且可控的横向移动，且所述底光源组件(8)包括安装于X轴移动台组件(5)的X向气浮滑板组(502)上的底光源直线电机(801)，一个底光源转接板(802)安装于所述底光源直线电机(801)的动子上并随之可控的横向移动，一个底光源L形转接架(803)的两端分别连接所述底光源转接板(802)和一个底光源本体(804)，通过底光源L形转接架(803)将底光源本体(804)置于所述检测载台(409)的底光源腔(4091)中。

9.根据权利要求6所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述测量仪还包括误差补偿单元，所述误差补偿单元包括设置在Y轴移动台组件(4)、X轴移动台组件(5)、Z轴移动台组件(6)的光栅单元处的温度传感器，用于实时测量温度数据进行温度误差补偿。

10.根据权利要求6所述的复合式坐标测量仪，其特征在于：所述测量仪还包括气控系统(9)，所述气控系统(9)包括气源(901)、前置常压阀(902)、三级过滤阀组(903)、一级分流阀(904)、三轴调压阀(905)、三轴电磁开关(906)、三轴分流阀(907)、闸瓦调压阀(908)和锁定电磁阀(909)，所述三轴分流阀(907)与Y轴移动台组件(4)、X轴移动台组件(5)、Z轴移动台组件(6)连通；所述闸瓦调压阀(908)与Z轴移动台组件(6)设置的平衡气缸闸瓦连接，以实现对异常气压的停机应急反应；所述锁定电磁阀(909)与Z轴移动台组件(6)的锁控单元(604)连接，以应对异常速度和加速度的锁定应急反应。