CN114700805B - 一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置 - Google Patents

一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于数控机床在位测量相关技术领域，其公开了一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其包括两个微分头结构、两个微分头挡块结构、测头夹持结构及调整架；调整架包括第一支架、第二支架、Y向铰链结构及X向铰链结构，第二支架设置在第一支架内；Y向铰链结构连接第一支架及第二支架；X向铰链结构连接于第二支架，且其位于第二支架内；两个微分头结构分别设置在第一支架垂直连接的两个框边上，两个微分头挡块分别连接于X向铰链结构及Y向铰链结构，且分别与两个微分头结构相连接；测头夹持结构连接于X向铰链结构，其用于连接测头结构。本发明运动精度高，无机械摩擦。

Description

一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置
技术领域
本发明属于数控机床在位测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置。
背景技术
在位测量技术是指加工完成后工件没有卸下，在加工机床上利用测头对工件进行测量的测量方法，相较于离线测量的方法，在位测量不需要进行二次装夹，且测量效率高，同时能够测量典型几何特征零件和形状相对复杂的零件。
机床测头按功能分类，可分为工件检测测头和对刀及刀具磨损检测测头，按照测头是否接触分为接触式测头和非接触式测头(激光等类型)。接触式测头需要与被测物体表面接触，通过机床反馈得到接触点的坐标，通过触碰多点轨迹来测量工件尺寸。非接触式测头则是利用激光扫描等方式对工件进行测量。
目前接触式测头球头与刀柄的同轴度误差很大程度上决定了测头的测量结果，测头与刀柄发生偏心，会使得机床主轴的接触点坐标存在测量误差，从而进一步影响工件测量误差。针对测头球头找正问题，徐州徐工传动科技有限公司的姜丰成在《一种用于调校雷尼绍测头的机构及调校方法》中设计了一种用于雷尼绍测头圆心使用时校正的机构，但并未设计出实际调整球头圆心的机构。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，所述调心装置能够提高测头的球头与刀柄的同轴度，使得测头的球头能在装夹时正确找正，提高了产品在位测量精度，且整个调心装置通过在微分头中施加位移，通过柔性铰链的传动使得测定头在X、Y方向上位移缩小来微调测头圆心的位移，在保证精度的同时避免了机械摩擦的影响。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，所述调心装置包括两个微分头结构、两个微分头挡块结构、测头夹持结构及调整架；所述调整架包括第一支架、第二支架、Y向铰链结构及X向铰链结构，所述第一支架及所述第二支架均为矩形框，所述第二支架设置在所述第一支架内；所述Y向铰链结构连接所述第一支架及所述第二支架，且位于所述第一支架及所述第二支架之间；所述X向铰链结构连接于所述第二支架，且其位于所述第二支架内；两个所述微分头结构分别设置在所述第一支架垂直连接的两个框边上，两个所述微分头挡块分别连接于所述X向铰链结构及所述Y向铰链结构，且分别与两个所述微分头结构相连接；所述测头夹持结构连接于所述X向铰链结构，其用于连接测头结构。
进一步地，两个所述微分头结构分别通过所述Y向铰链结构及所述X向铰链结构带动所述测头结构沿Y轴或者X轴单向移动。
进一步地，所述调心装置还包括垫块及刀柄夹持结构，所述垫块连接所述刀柄夹持结构及所述调整架。
进一步地，所述调心装置还包括连接于所述刀柄夹持结构的整体支撑结构及设置在所述整体支撑结构上的千分表结构，所述千分表结构的表头与所述测头结构相接触。
进一步地，所述Y向铰链结构基本呈凹字型，其包括第二X向柔性铰链、第一Y向柔性铰链、第三X向柔性铰链及第四X向柔性铰链，所述第四X向柔性铰链的一端连接于所述第一支架的一内侧，另一端连接于所述第二支架；所述第二X向柔性铰链的一端连接于所述第一支架的另一内侧；所述第一Y向柔性铰链的两端分别连接于所述第二X向柔性铰链及所述第三X向柔性铰链的一端，所述第三X向柔性铰链的另一端连接于所述第一支架的内侧。
进一步地，所述X向铰链结构基本呈矩型，其包括第一X向柔性铰链、第二Y向柔性铰链、第三Y向柔性铰链及第五X向柔性铰链，所述第二Y向柔性铰链的一端同时连接于所述第二支架的一侧及所述第一X向柔性铰链的一端；所述第一X向柔性铰链的另一端连接于所述第三Y向柔性铰链的一端，所述第三Y向柔性铰链的另一端连接于所述第五X向柔性铰链的一端，所述第五X向柔性铰链的另一端连接于所述第二支架。
进一步地，两个所述微分头挡块结构分别固定在所述第二X向柔性铰链及所述第二Y向柔性铰链上。
进一步地，所述测头夹持结构基本呈环状，其包括相连接的固定端及调节端，所述固定端固定在所述第五X向柔性铰链上，所述调节端通过螺栓将所述测头结构夹持主。
进一步地，所述调心装置还包括扳手及刀柄结构，所述扳手的一端穿过所述刀柄结构后以内六角螺栓的形式与所述测头结构相连接。
进一步地，所述刀柄夹持结构连接于所述刀柄结构，所述微分头结构通过旋转使得所述调整架产生单方向位移，所述调整架将位移按比例缩小并转换为测头结构的局部位置变化。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置主要具有以下有益效果：
1.所述调心装置采用柔性铰链，运动精度高，无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高。
2.所述调心装置的X-Y耦合系数小，理论上调整单方向时，由于Y轴与X轴的调节铰链不会同时发生改变，故另一方向的随动位移基本不发生改变，使得该调心装置多次调整的重复性高。
3.所述调心装置采用位移计来保证最后的调心精度，即用位移计来检测测头的轴线调整是否到位，故该调心装置的调整精度可以达到Rd，调整精度高。
4.所述调心装置可以适用于多种不同的刀柄，调心装置的放大对位移的放大系数也可以通过更改调整架结构进行调整，故调心装置的适用性强，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置的结构示意图；
图2是图1中的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置沿第一角度的示意图；
图3是图1中的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置沿第二角度的示意图；
图4是图1中的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置沿第三角度的示意图；
图5是图1中的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置的调整架的结构示意图；
图6是图5中的调整架的XY方向位移变形示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-微分头结构，2-微分头挡块结构，3-测头结构，4-测头夹持结构，5-调整架，50-第一X向柔性铰链，51-第二X向柔性铰链，52-第一Y向柔性铰链，53-第三X向柔性铰链，54-第二支架，55-第四X向柔性铰链，56-第二Y向柔性铰链，57-第三Y向柔性铰链，58-第五X向柔性铰链，59-第一支架，6-刀柄夹持结构，7-垫块，8-刀柄支撑结构，9-扳手，10-刀柄结构，11-整体支撑结构，12-千分表结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供了一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，所述调心装置包括两个微分头结构1、两个微分头挡块结构2、测头结构3、测头夹持结构4、调整架5、刀柄夹持结构6、垫块7、刀柄支撑结构8、扳手9、刀柄结构10、整体支撑结构11及千分表结构12。
所述微分头结构1、所述微分头挡块结构2及所述测头夹持结构4分别设置在所述调整架5上。所述调整架5、所述垫块7、所述刀柄夹持结构6及所述整体支撑结构11依次相连接。待测的所述测头结构3设置在所述测头夹持结构4上。所述刀柄结构10的一端穿过所述整体支撑结构11后连接于所述刀柄夹持结构6。所述扳手9的一端穿过所述刀柄结构10后连接于所述测头结构3。所述千分表结构12连接于所述整体支撑结构11，且其表头与所述测头结构3相接触。所述刀柄支撑结构8连接于所述刀柄结构10。工作时，所述测头夹持结构4连接于待安装的测头结构3，所述刀柄夹持结构6连接于待安装的刀柄结构10，所述刀柄支撑结构8连接于待安装的刀柄结构10，所述微分头结构1通过旋转使得所述调整架5产生单方向位移，所述调整架5将位移按比例缩小并转换为所述测头结构3的局部位置变化。
所述测头结构3与所述刀柄结构10组成测头，所述测头结构3开设有螺纹孔，其通过螺纹孔与螺栓的配合来实现所述刀柄结构10与所述测头结构3之间的连接。所述刀柄支撑结构8可以是BT30刀柄座，也可以是BT40刀柄座、HSK刀柄座、或者HSS刀柄座等。
请参阅图5及图6，所述调整架5包括第一支架59、第二支架54、Y向铰链结构及X向铰链结构，所述第一支架59及所述第二支架54均为矩形框，所述第二支架54设置在所述第一支架59内，且两者的中心轴重合。所述Y向铰链结构连接所述第一支架59及所述第二支架54，且位于所述第一支架59及所述第二支架54之间。所述X向铰链结构连接于所述第二支架54，且其位于所述第二支架54内。其中，所述微分头结构1连接于所述第一支架59，两个所述微分头挡块结构2分别连接于所述X向铰链结构及所述Y向铰链结构。所述测头夹持结构4连接于所述X向铰链结构。其中，两个所述微分头结构1分别通过所述Y向铰链结构及X向铰链结构带动所述测头结构3沿Y轴或者X轴单向移动。
通过所述Y向铰链结构将微分头产生的Y向位移按照一定比例转化为所述测头结构3在Y轴向的位移，所述Y向铰链结构基本呈凹字型，其包括第二X向柔性铰链51、第一Y向柔性铰链52、第三X向柔性铰链53及第四X向柔性铰链55，所述第四X向柔性铰链55的一端连接于所述第一支架59的一内侧，另一端连接于所述第二支架54。所述第二X向柔性铰链51的一端连接于所述第一支架59的另一内侧。所述第一Y向柔性铰链52的两端分别连接于所述第二X向柔性铰链51及所述第三X向柔性铰链53的一端，所述第三X向柔性铰链53的另一端连接于所述第一支架59的内侧。其中，所述第一Y向柔性铰链52还连接于所述第一支架59的内侧；所述第三X向柔性铰链53远离所述第一Y向柔性铰链52的一端连接于所述第二支架54。
所述X向铰链结构基本呈矩型，其包括第一X向柔性铰链50、第二Y向柔性铰链56、第三Y向柔性铰链57及第五X向柔性铰链58，所述第二Y向柔性铰链56的一端同时连接于所述第二支架54的一侧及所述第一X向柔性铰链50的一端。所述第一X向柔性铰链50的另一端连接于所述第三Y向柔性铰链57的一端，所述第三Y向柔性铰链57的另一端连接于所述第五X向柔性铰链58的一端，所述第五X向柔性铰链58的另一端连接于所述第二支架54。
所述微分头结构1包括相连接的微分头固定块及微分头体，两个所述微分头结构1的微分头固定块分别固定在所述第一支架59垂直连接的两个边框上，两者的微分头体分别连接于两个所述微分头挡块结构2，同时两个所述微分头挡块结构2分别固定在所述第二X向柔性铰链51及所述第二Y向柔性铰链56上。
所述测头夹持结构4基本呈环状，其包括相连接的固定端及调节端，所述固定端固定在所述第五X向柔性铰链58上，所述调节端通过螺栓将所述测头结构3夹持主。其中，所述调节端通过外圆与所述测头结构3进行定位。
工作时，所述微分头结构1推动所述微分头挡块结构2时带动所述Y向铰接结构或者所述X向铰链结构，进而带动连接于所述调整架5的所述测头结构3沿Y轴方向移动或沿X轴方向移动。
所述刀柄支撑结构8用于支撑所述刀柄结构10，所述刀柄支撑结构8与所述刀柄结构10通过圆锥孔配合接触，以使得所述刀柄结构10能够在所述刀柄支撑结构8中旋转，能够保证所述刀柄结构10的回转轴线保持不变。同时，所述刀柄结构10带动所述测头结构3、所述测头夹持结构4、所述调整架5、所述刀柄夹持结构6及所述垫块7一同转动。所述整体支撑结构11用于支撑和保证上述结构的稳定旋转。
本实施方式中的位移计采用千分表，所述整体支撑结构11与所述千分表结构12通过强力磁铁块形成稳定连接，即强力磁铁块能够提供足够大的吸附力，使得所述千分表结构12与所述整体支撑结构11的相对位置保持不变。所述千分表结构12的表头与所述测头结构3相接触，以用于测量所述测头结构3的红宝石球头在所述刀柄结构10带动下转动时所产生的径向圆跳动。
所述扳手9的一端穿过所述刀柄结构10后以内六角螺栓的形式与所述测头结构3相连接。当所述千分表结构12测得所述测头结构3的球头的径向圆跳动小于径向圆跳动设定值时，可以通过所述扳手9将所述测头结构3与所述刀柄结构10拧紧。
所述垫块7呈长条状，其用于连接所述调整架5及所述刀柄夹持结构6，两个所述垫块7呈对角布置，使得载荷分布稳定，所述垫块7给所述调整架5提供了足够的高度来布置螺栓，所述垫块7与所述调整架5及所述刀柄夹持结构6通过长螺栓将三者连接在一起。
所述刀柄支撑结构8呈圆柱形，圆柱体内部的圆锥孔与刀柄结构10的底部进行定位和支撑，以保证刀柄旋转时的稳定。所述整体支撑结构11为矩形，其对整个调心装置及测头结构3起支撑作用；所述千分表结构12的表头放置在测头结构3的球头上侧，测量测头结构3的球头的径向圆跳动。
以千分表的径向圆跳动小于Rd、测头顶端的红宝石测针未触发、红宝石测针的偏移值在±2个球头直径内之一来判断测头与刀柄调心装置是否调整至圆心。
本实施方式的调心流程为：将调心装置按上述连接方式安装好之后，对刀柄进行旋转，由于上述装置基本连接在一起，刀柄带动测头和调整架结构一同旋转，若测头球头与刀柄并未在同一回转轴线上，则可视为测头偏心，通过千分表测量出测头球头径向圆跳动最大时测头所在位置，此时可视为测头球头圆心偏移最大位置，且圆心偏移方向为千分表表头切线所在的方向，此时停止转动刀柄，调节X-Y方向微分头，再旋转刀柄，再转至千分表表头最大值，再调节X-Y方向微分头，再旋转刀柄，如此反复直至千分表径向圆跳动小于设定值Rd，此时可视为调心完成，则可使用扳手通过刀柄底部的内六角螺栓将测头与刀柄拧紧，再卸下调心装置即可。
对于测头圆心偏移方向不好调节的情况，可以在第一次旋转刀柄至千分表表头最大值时，先调节Y方向微分头，使得微分头径向圆跳动至最小值，此时可视为Y方向调心完成，再旋转刀柄，至最大值后再调节X方向微分头，同理再旋转，此时微分头径向圆跳动小于红宝石球头的直径，再调节Y方向，再调节X方向，多次后则可达到理想值。
以某测头实施对象为例，其调整架设计Y方向的位移放大率为106÷23.2×80÷20＝18.275，其X方向的位移放大率为68.55÷17.55×36÷11＝18.275,其材料的弹性模量设定为2.1×10^11Pa，泊松比为0.3，测头球头径向圆跳动设定值Rd为±2um。由于Y方向柔性铰链在X方向柔性铰链外部，且通过ANSYS仿真可知，当在Y方向微分头产生2.598mm位移时，测头圆心的Y方向偏移为0.107655mm，X方向偏移为-0.01829mm，当在X方向微分头产生2.553mm位移时，测头圆心的X方向偏移为0.11429mm，Y方向偏移为-0.007556mm，可知该实例对象的δYX＝-0.17，δXY＝-0.066，其调整X方向位移时对Y方向偏移的系数δYX远小于δXY，为避免纵横耦合现象，故先调节Y方向，反复多次后使得测头球头径向圆跳动小于Rd，此时测头球头调心完成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：
所述调心装置包括两个微分头结构、两个微分头挡块结构、测头夹持结构及调整架；所述调整架包括第一支架、第二支架、Y向铰链结构及X向铰链结构，所述第一支架及所述第二支架均为矩形框，所述第二支架设置在所述第一支架内；所述Y向铰链结构连接所述第一支架及所述第二支架，且位于所述第一支架及所述第二支架之间；所述X向铰链结构连接于所述第二支架，且其位于所述第二支架内；两个所述微分头结构分别设置在所述第一支架垂直连接的两个框边上，两个所述微分头挡块分别连接于所述X向铰链结构及所述Y向铰链结构，且分别与两个所述微分头结构相连接；所述测头夹持结构连接于所述X向铰链结构，其用于连接测头结构；
所述调心装置还包括刀柄夹持结构、连接于所述刀柄夹持结构的整体支撑结构及设置在所述整体支撑结构上的千分表结构，所述千分表结构的表头与所述测头结构相接触。
2.如权利要求1所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：两个所述微分头结构分别通过所述Y向铰链结构及所述X向铰链结构带动所述测头结构沿Y轴或者X轴单向移动。
3.如权利要求1所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：所述调心装置还包括垫块，所述垫块连接所述刀柄夹持结构及所述调整架。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：所述Y向铰链结构呈凹字型，其包括第二X向柔性铰链、第一Y向柔性铰链、第三X向柔性铰链及第四X向柔性铰链，所述第四X向柔性铰链的一端连接于所述第一支架的一内侧，另一端连接于所述第二支架；所述第二X向柔性铰链的一端连接于所述第一支架的另一内侧；所述第一Y向柔性铰链的两端分别连接于所述第二X向柔性铰链及所述第三X向柔性铰链的一端，所述第三X向柔性铰链的另一端连接于所述第一支架的内侧。
5.如权利要求4所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：所述X向铰链结构呈矩型，其包括第一X向柔性铰链、第二Y向柔性铰链、第三Y向柔性铰链及第五X向柔性铰链，所述第二Y向柔性铰链的一端同时连接于所述第二支架的一侧及所述第一X向柔性铰链的一端；所述第一X向柔性铰链的另一端连接于所述第三Y向柔性铰链的一端，所述第三Y向柔性铰链的另一端连接于所述第五X向柔性铰链的一端，所述第五X向柔性铰链的另一端连接于所述第二支架。
6.如权利要求5所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：两个所述微分头挡块结构分别固定在所述第二X向柔性铰链及所述第二Y向柔性铰链上。
7.如权利要求5所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：所述测头夹持结构呈环状，其包括相连接的固定端及调节端，所述固定端固定在所述第五X向柔性铰链上，所述调节端通过螺栓将所述测头结构夹持住。
8.如权利要求1-3任一项所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：所述调心装置还包括扳手及刀柄结构，所述扳手的一端穿过所述刀柄结构后以内六角螺栓的形式与所述测头结构相连接。
9.如权利要求8所述的基于接触式测头的测头球头与刀柄同轴度调心装置，其特征在于：所述刀柄夹持结构连接于所述刀柄结构，所述微分头结构通过旋转使得所述调整架产生单方向位移，所述调整架将位移按比例缩小并转换为测头结构的局部位置变化。
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