CN202869440U - 一种五轴系统回转体测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种五轴系统回转体测量仪，在固定桥式坐标测量机的基础上配合高精度转台形成θXZ三轴结构，与Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组构成五轴系统，通过Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组带动CCD视觉传感器和照明光源的移动完成视觉测量，通过在五个轴上均采用高精度光栅尺，不仅提高了控制系统的控制精度，也提高了本检测装置的检测精度；采用触发式探针和CCD视觉传感器相结合的方法，可以同时进行接触测量和非接触的视觉测量，节省了测量时间，实现了对回转体快速准确的检测。

Description

一种五轴系统回转体测量仪

技术领域

本实用新型涉及回转体测量仪领域，尤其涉及一种五轴系统回转体测量仪。

背景技术

回转体工件广泛应用于工业、农业和国防建设等各个领域，在国民生活中占有很大的比重。回转体工件是由一条母线绕回转轴旋转而得，其母线可以是直线段、圆弧或者曲线，表面形状可以是圆柱面和圆锥面等。回转体工件的具体结构会因其具体用途的不同而不同。常见的回转体工件包括气缸套和陀螺转子等等。

随着社会进步和现代技术的高速发展，对回转体的需求量越来越大，另外回转体的结构也不断复杂化，需要测量的尺寸不再局限于直径和圆度等。

在实现本实用新型的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

我国回转体工件的生产发展非常迅速，但检测还是采用传统的检测方法，以接触式百分表、千分表和测量规等为主，这些方法费时费力且人为干扰因素多，重复性差，这很大程度上影响了回转体工件产量和质量的提高。回转体工件的检测已经成为回转体发展的瓶颈，因此，发明出一套能高精度、高效率、自动检测回转体工件的测量系统就显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型提供了一种五轴系统回转体测量仪，提高了测量精度和效率，详见下文描述：

一种五轴系统回转体测量仪，包括：主轴、大理石工作台和转台，

在所述主轴上设置有Z轴光栅和Z轴电机，所述Z轴电机通过Z轴齿形带驱动所述主轴沿Z向自由移动；在所述主轴的底部固定设置有触发式探针；

在所述大理石工作台上设置有大理石固定桥和横向线性模组；

所述大理石固定桥上设置有X轴导轨；所述X轴导轨上设置有X轴光栅和X轴电机，所述X轴电机通过X轴齿形带驱动滑架沿着所述X轴导轨自由滑动；

所述横向线性模组上设置有纵向线性模组，并沿Y轴正方向设置有Y′轴电机，所述纵向线性模组上设置有沿Z向自由移动的视觉架；所述纵向线性模组上设置有Z′轴电机，在所述Z′轴电机的驱动下带动所述视觉架沿Z向自由移动；在所述视觉架的两端设置有同轴且均平行于X轴的背向照明光源和CCD视觉传感器；所述背向照明光源使回转体工件的轮廓成像在所述CCD视觉传感器中；

所述转台内设置有θ轴光栅，所述转台上设置有θ轴电机；所述转台的回转中心位于测量机的Y轴原点，所述转台的回转轴线垂直于测量机的XOY平面；通过调节所述背向照明光源和所述CCD视觉传感器在所述视觉架上的位置使得所述转台的回转中心处于所述CCD视觉传感器焦平面上。

在Y轴正方向和纵向线性模组上还设置有光栅。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1）在固定桥式坐标测量机的基础上配合高精度转台形成θXZ三轴结构，与Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组构成五轴系统，通过Y′轴方向和Z′轴方向的线性模组带动CCD视觉传感器和照明光源的移动完成视觉测量；

2）通过在五个轴上均采用高精度光栅尺，不仅提高了控制系统的控制精度，也提高了本检测装置的检测精度；

3）采用触发式探针和CCD视觉传感器相结合的方法，可以同时进行接触测量和非接触的视觉测量，节省了测量时间，实现了对回转体快速准确的检测；

4）机械结构稳定，针对不同型号的回转体可以按照预先设定自动进行多次测量，消除了人为因素的影响，稳定性强；

5）该五轴系统回转体测量仪适合多种类型回转体的检测，灵活性好。

附图说明

图1为一种五轴系统回转体测量仪的结构示意图。

附图中各标号所代表的部件列表如下：

1：主轴；                           2：Z轴光栅；

3：X轴电机：                        4：X轴光栅；

5：大理石固定桥：                   6：触发式探针；

7：CCD视觉传感器；                  8：转台；

9：大理石工作台；                   10：θ轴电机；

11：Z轴齿形带；                      12：Z轴电机；

13：滑架；                           14：X轴导轨；

15：纵向线性模组；                   16：X轴齿形带；

17：视觉架；                         18：照明光源；

19：横向线性模组。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

非接触式测头在测量时无需与工件进行接触，不存在测量力，可以测量软质介质的表面参数，无须频繁的加减速，能快速对物体进行全视场扫描测量，适用于在线快速测量，可以快速地提取物体的边界轮廓获得其特征信息。但视觉测量技术由于受相机标定精度、成像理论模型的简化以及光的反射、衍射和环境光线等各种干扰因素的存在，其测量精度并不是很高。

接触式测头具有精度高、稳定性强、与工件反射特性无关等优点，配合测量软件可实现对点、直线、平面、圆弧、圆柱、圆孔和球体的快速测量。但其对工件表面的测量方式为逐点接触式测量，测量速度受到机构运行速度的限制，而且还要不断地变换速度、加速度，检测效率低。而且由于接触式探针有一定大小限制，不能对尺寸较小的工件进行测量。

采用接触式测头或非接触式测头的单个传感器在测量方面存在固有的缺陷，这表现为单个传感器只能获取待测环境的部分信息，其测量值有一定的不确定性；而且每个传感器都有其优点与缺点，无法适应任务与环境的改变。而采用多传感器集成技术可以获取同一环境的多个信息，还可以描述不同环境下的特征。多个传感器还可以使环境信息的采集和处理并行化，提高整个测量系统的效率。与单一的传感器相比，多传感器系统能够更加快速、准确的获取待测环境的全面信息。

为了提高测量精度和效率，参见图1，本实用新型提供了一种五轴系统回转体测量仪，包括：主轴1、大理石工作台9和转台8，

在主轴1上设置有Z轴光栅2和Z轴电机12，Z轴电机12通过Z轴齿形带11驱动主轴1沿Z向自由移动；在主轴1的底部固定设置有触发式探针6；

在大理石工作台9上设置有大理石固定桥5和横向线性模组19；

大理石固定桥5上设置有X轴导轨14；X轴导轨14上设置有X轴光栅4和X轴电机3，X轴电机3通过X轴齿形带16驱动滑架13沿着X轴导轨14自由滑动；

横向线性模组19上设置有纵向线性模组15，并在沿Y轴正方向设置有Y′轴电机（图中未标示），纵向线性模组15上设置有沿Z向自由移动的视觉架17；纵向线性模组15上设置有Z′轴电机（图中未标示），在Z′轴电机的驱动下带动视觉架17沿Z向自由移动；在视觉架17的两端设置有同轴且均平行于X轴的背向照明光源18和CCD视觉传感器7；背向照明光源18使回转体工件的轮廓清晰成像在CCD视觉传感器7中；

转台8内设置有光栅（图中未标示），转台8上设置有θ轴电机10；转台8的回转中心位于测量机的Y轴原点，转台8的回转轴线垂直于测量机的XOY平面；通过调节背向照明光源18和CCD视觉传感器7在横向视觉架17上的位置使得转台8的回转中心处于CCD视觉传感器7焦平面上。

实际应用时，本实用新型五轴系统回转体测量仪是通过PMAC (开放式多轴运动控制器)运动控制卡控制固定桥式坐标测量机的电机，包括水平方向X轴电机3、竖直方向Z轴电机12和控制转台8的θ轴电机，以及线性模组的Y′轴电机和Z′轴电机；通过转台8的转动能够实现从各个方位对回转体的检测。采用触发式探针6进行测量时，获得触发式探针6触发瞬间的光栅尺读数；采用CCD视觉传感器7进行测量时，通过Y′轴电机和Z′轴电机控制纵向线性模组15和视觉架17从而将CCD视觉传感器7移动到测量位置，采集光栅尺的数据和回转体图像，并在计算机中进行处理，得到检测结果。

进一步地，为了提高测量精度，在Y轴正方向和纵向线性模组15上还设置有光栅（图中未标示）。

本实用新型提供的五轴系统回转体测量仪的检测准备过程如下：首先开启气源，待气压达到一定数值，再打开计算机，保证测量仪能够正常工作；之后开启计算机及数控系统主电源。检测各传感器是否处于正常工作状态，包括CCD视觉传感器7是否能正常采集图像，CCD视觉传感器7的照明光源18是否处于正常工作状态，触发式探针6是否处于待触发状态等。将被测回转体安装到工装上，并确定其是否安装正确。在做好以上准备工作后，就可以对同类型的回转体进行批量检测。

下面以某型号回转体尾部倒角宽度的检测为例介绍检测过程。该回转体尾部倒角部分相当短，无法用触发式探针6直接测量，需要与CCD视觉传感器7配合测量。

（a）首先系统进入测量准备阶段，测量准备阶段主要分为以下两部分：一是该测量系统五轴机构的回零，包括X轴电机3驱动滑架13和Z轴电机驱动主轴1的回零，X轴和Z轴所带动的触发式探针6回零；还包括Y′轴电机和Z′轴电机的回零，Y′轴和Z′轴带动CCD视觉传感器7回零；以及转台8的回零。

（b）开启测量软件系统，载入测量仪各运动轴的误差补偿表，启动功能面板并手动选取待测量的工件型号及测量方案，测量方案是对该型号工件全部待测项目进行检测的方案，包括待检项目序号、名称、位置信息、标准尺寸与公差范围。

（c）点击测量按钮，X轴电机3驱动滑架13以及Z轴电机驱动主轴1，带动触发式探针6按照测量方案中的设定运动至接触测量的起始定位点，即回转体尾部倒角上方。运动过程中，对触发式探针6的状态进行实时监控，以防止误碰撞的发生。与此同时，Y′轴电机和Z′轴电机驱动纵向线性模组15和视觉架17，从而带动CCD视觉传感器7按照测量方案中的设定运动至视觉测量的起始定位点。

（d）当触发式探针6和CCD视觉传感器7都运动至目标定位点后，Y′轴电机和Z′轴电机带动CCD视觉传感器7恰好使得回转体的尾部倒角在视觉传感器中清晰成像，此时将CCD视觉传感器7保持在此位置短时间内多次采集该图像，对得到的多幅图像作图像平均、二值化处理和轮廓跟踪后，将得到的边缘点图像坐标分区拟合，可以拟合得到倒角部分和回转体外壁两条边缘直线，并计算得到两直线的夹角大小及交点坐标，即待测倒角的大小和该倒角其中一个角点坐标。由于倒角上表面是面特征，工件摆放姿态的倾斜与光照在面特征上出现的反光现象对于面特征边缘的定位有较大影响，所以倒角上表面与倒角部分相连接的角点不能通过CCD视觉传感器7精确获得，需要配合触发式探针6完成倒角宽度的测量。

（e）在CCD视觉传感器7进行测量的同时，滑架13连同主轴1带动触发式探针6对回转体尾部倒角进行接触式测量，分别对倒角上表面进行接触式测量，对采集到的测点信息进行处理得到倒角上表面与倒角部分的角点坐标，再结合CCD视觉传感器7测得的另一角点坐标和倒角的角度值，计算出待测倒角的宽度。

（f）得到计算结果后，将结果以图形和数据的形式输出到用户界面，根据事先存储在数据库中该测量项目的标准尺寸和公差范围判断该项目的测量结果是否合格，合格性结果将输出到界面。

以上所阐述的测量过程是针对某种型号回转体倒角宽度检测步骤，在回转体倒角宽度的测量过程中需要五轴系统相互配合，带动CCD视觉传感器7和触发式探针6配合进行测量；对于测量其它不同尺寸、不同表面特征的回转体，需要检测的尺寸不同、特征不同，测量路径与检测的步骤会发生相应的变化。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种五轴系统回转体测量仪，其特征在于，包括：主轴、大理石工作台和转台，

在所述主轴上设置有Z轴光栅和Z轴电机，所述Z轴电机通过Z轴齿形带驱动所述主轴沿Z向自由移动；在所述主轴的底部固定设置有触发式探针；

在所述大理石工作台上设置有大理石固定桥和横向线性模组；

所述大理石固定桥上设置有X轴导轨；所述X轴导轨上设置有X轴光栅和X轴电机，所述X轴电机通过X轴齿形带驱动滑架沿着所述X轴导轨自由滑动；

所述横向线性模组上设置有纵向线性模组，并沿Y轴正方向设置有Y′轴电机，所述纵向线性模组上设置有沿Z向自由移动的视觉架；所述纵向线性模组上设置有Z′轴电机，在所述Z′轴电机的驱动下带动所述视觉架沿Z向自由移动；在所述视觉架的两端设置有同轴且均平行于X轴的背向照明光源和CCD视觉传感器；所述背向照明光源使回转体工件的轮廓成像在所述CCD视觉传感器中；

所述转台内设置有θ轴光栅，所述转台上设置有θ轴电机；所述转台的回转中心位于测量机的Y轴原点，所述转台的回转轴线垂直于测量机的XOY平面；通过调节所述背向照明光源和所述CCD视觉传感器在所述视觉架上的位置使得所述转台的回转中心处于所述CCD视觉传感器焦平面上。

2.根据权利要求1所述的一种五轴系统回转体测量仪，其特征在于，在Y轴正方向和纵向线性模组上还设置有光栅。

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