一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(PDCMM)誤差補(bǔ)償領(lǐng)域，具體是一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種基于非正交坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，其豎直方向即Z軸系統(tǒng)由電機(jī)、雙平行導(dǎo)軌、絲杠、光柵等零件組成。其XY平面活動(dòng)機(jī)構(gòu)包括三個(gè)關(guān)節(jié)臂和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及測(cè)頭系統(tǒng)，測(cè)頭系統(tǒng)又包括力傳感器、手持件、測(cè)頭等零件。系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)豎直方向的導(dǎo)軌系統(tǒng)的平移自由度和光柵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Z軸測(cè)量，通過(guò)關(guān)節(jié)臂之間的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)自由度及安裝在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)頂部的角度編碼器實(shí)現(xiàn)XY平面內(nèi)的坐標(biāo)測(cè)量。測(cè)量時(shí)，手動(dòng)將測(cè)頭接觸到被測(cè)點(diǎn)并控制系統(tǒng)讀取豎直方向光柵位移和兩個(gè)角度編碼器的角度值，結(jié)合關(guān)節(jié)臂和測(cè)頭幾何參數(shù)代入平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)數(shù)學(xué)模型獲取當(dāng)前被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，該坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)小巧易于移動(dòng)，將機(jī)器底座固定于移動(dòng)設(shè)備上可靈活移動(dòng)。但由于其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)靈活，誤差控制較為復(fù)雜，因此精度難以保證，測(cè)量誤差主要包括運(yùn)動(dòng)誤差、彈性變形誤差、編碼器誤差、熱誤差以及光柵和編碼器的示值誤差等。目前，圓光柵偏角、關(guān)節(jié)軸偏擺、零件變形已經(jīng)成為制約rocMM測(cè)量精度進(jìn)一步提高的瓶頸。由于重力、熱變形以及裝配應(yīng)力等因素的存在。rocMM各部分零件均有不同程度的變形，尤其是大尺寸的受力零件變形尤為明顯。大尺寸結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)相連的關(guān)節(jié)臂和基座。由于熱變形以及重力作用，關(guān)節(jié)臂會(huì)出現(xiàn)較為可觀的變形量，基座垂直安裝在工作臺(tái)上，自身重力引起的變形量可以忽略不計(jì)，但橫向伸出的關(guān)節(jié)臂會(huì)對(duì)基座立柱形成垂直扭矩，造成立柱彎曲變形。系統(tǒng)產(chǎn)生變形后，測(cè)頭Z軸將偏離設(shè)計(jì)方向從而帶來(lái)阿貝誤差。這些變形勢(shì)必會(huì)傳遞到測(cè)量結(jié)果中影響測(cè)量精度。
[0003]平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差補(bǔ)償方法主要有離線(xiàn)補(bǔ)償和在線(xiàn)補(bǔ)償兩種。離線(xiàn)補(bǔ)償通過(guò)已建立的誤差模型或已測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)消除確定的誤差分量，如圓光柵安裝的偏心誤差等；在線(xiàn)補(bǔ)償則是一種實(shí)時(shí)的補(bǔ)償方式，主要用于消除隨機(jī)誤差和系統(tǒng)漂移和運(yùn)動(dòng)誤差。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)尤其是關(guān)節(jié)臂的彈性變形是一種主要的誤差來(lái)源。
[0004]現(xiàn)今，彈性變形主要通過(guò)應(yīng)力分析法和傳感器建模法進(jìn)行補(bǔ)償。力分析法由應(yīng)力儀(計(jì))測(cè)得局部應(yīng)力數(shù)據(jù)并計(jì)算撓度。該方法計(jì)算復(fù)雜且精度不高。傳感器建模法通過(guò)位敏探測(cè)器(PSD)分析變形點(diǎn)，計(jì)算并修正誤差。該方法可以測(cè)量關(guān)節(jié)臂變形產(chǎn)生的端點(diǎn)位移偏差，但無(wú)法直接測(cè)量關(guān)節(jié)臂變形產(chǎn)生的關(guān)節(jié)軸二維角度誤差，不能有效評(píng)定Z軸偏角引起的阿貝誤差。因此，截止目前，尚無(wú)一種有效方法能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量關(guān)節(jié)臂變形引起的Z軸角度偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)補(bǔ)償彈性變形的復(fù)雜、精度低、可操作性差等問(wèn)題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:包括安裝在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)臂一端頂部的光電檢測(cè)單元，以及安裝在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)臂另一端頂部的反光面，所述光電檢測(cè)單元包括封裝外殼，封裝外殼朝向并正對(duì)反光面的一側(cè)設(shè)置為殼口，殼口中設(shè)置有半透鏡面、反射鏡面、濾光片構(gòu)成的組合透鏡，其中半透鏡面傾斜設(shè)置在殼口一側(cè)口壁上，反射鏡面傾斜設(shè)置在殼口另一側(cè)口壁上與參考光束成45 °夾角，且半透鏡面、反射鏡面相互平行，濾光片設(shè)置在殼口外側(cè)緊貼透鏡外表面與參考光束垂直，同時(shí)封堵殼口，封裝外殼內(nèi)還設(shè)置有激光頭、光敏面，所述激光頭的出光口正對(duì)半透鏡面，光敏面正對(duì)反射鏡面。
[0008]所述的一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:所述光電檢測(cè)單元、反光面分別通過(guò)內(nèi)表面曲率與關(guān)節(jié)臂兩端的圓柱形表面曲率相同的耳片安裝在關(guān)節(jié)臂對(duì)應(yīng)端。
[0009]所述的一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:激光頭的光軸與反光面中心法線(xiàn)重合。
[0010]所述的一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:光敏面為二維位置檢測(cè)器件。
[0011]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0012]1、本發(fā)明通過(guò)位移測(cè)量獲取關(guān)節(jié)臂兩端產(chǎn)生的二維微小角度，進(jìn)而確定關(guān)節(jié)臂變形量和Z軸偏角，為平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差修正提供有效依據(jù)。
[0013]2、本發(fā)明測(cè)量結(jié)果既能反映關(guān)節(jié)臂兩端產(chǎn)生的二維角度量，也能反映關(guān)節(jié)臂兩端產(chǎn)生的微位移量，在角度和位移兩方面都可以對(duì)平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果起到補(bǔ)償作用。
[0014]3、本發(fā)明裝置將關(guān)節(jié)臂變形引起的角度量和位移量放大后測(cè)量，測(cè)量靈敏度和分辨率均得以提尚，有利于實(shí)現(xiàn)尚精度測(cè)量。
[0015]4、本發(fā)明裝置體積小、重量輕、易于集成，可安裝于機(jī)器上實(shí)時(shí)測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)主視圖。
[0017]圖2為本發(fā)明裝置光電檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明位移與角度關(guān)系原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]參見(jiàn)圖1所示，一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，包括安裝在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)臂I 一端頂部的光電檢測(cè)單元2，以及安裝在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)臂I另一端頂部的反光面3，所述光電檢測(cè)單元2包括封裝外殼5，封裝外殼5朝向并正對(duì)反光面3的一側(cè)設(shè)置為殼口，殼口中設(shè)置有半透鏡面6、反射鏡面7、濾光片8構(gòu)成的組合透鏡9，其中半透鏡面6傾斜設(shè)置在殼口一側(cè)口壁上與參考光束成45°夾角，反射鏡面7傾斜設(shè)置在殼口另一側(cè)口壁上，且半透鏡面6、反射鏡面7相互平行，濾光片8設(shè)置在殼口外側(cè)緊貼透鏡外表面與參考光束垂直，同時(shí)封堵殼口，封裝外殼5內(nèi)還設(shè)置有激光頭10、光敏面11，所述激光頭10的出光口正對(duì)半透鏡面6，光敏面正對(duì)反射鏡面7。
[0020]光電檢測(cè)單元2、反光面3分別通過(guò)內(nèi)表面曲率與關(guān)節(jié)臂兩端的圓柱形表面曲率相同的耳片4安裝在關(guān)節(jié)臂對(duì)應(yīng)端。
[0021]激光頭10的光軸與反光面3中心法線(xiàn)重合。
[0022]光敏面11為二維位置檢測(cè)器件。
[0023]激光頭10發(fā)射激光作為參考光束，經(jīng)半透鏡面6投射到反光面3，反光面3將激光反射后經(jīng)過(guò)半透鏡面6時(shí)，一部分光能量被反射到反射鏡面7并投射到光敏面11上，由于光敏面11及激光頭10密閉封裝在封裝外殼5內(nèi)，且濾光鏡片8僅允許所選擇的激光波長(zhǎng)通過(guò)，從而使測(cè)量系統(tǒng)避免了外界背景光的干擾，通過(guò)測(cè)量參考光束在光敏面11上的落點(diǎn)坐標(biāo)可以計(jì)算出反光面3相對(duì)于平衡位置偏轉(zhuǎn)的二維角度，根據(jù)反光面3相對(duì)于平衡位置的二維偏轉(zhuǎn)角度可以計(jì)算出關(guān)節(jié)臂I兩端的變形量，在一個(gè)維度內(nèi)位移與角度關(guān)系如附圖所示，由于02、O3的距離相對(duì)于關(guān)節(jié)臂I的長(zhǎng)度I可以忽略不計(jì)，近似認(rèn)為:
[0024]Cl1= I.sin Θ
[0025]d2= I.tan2 θ
[0026]其中:山近似認(rèn)為是變形后的關(guān)節(jié)臂I末端偏離平衡位置的距離；d2為光點(diǎn)偏離平衡位置的距離，由光敏面11測(cè)量得到；Θ為關(guān)節(jié)臂I末端相對(duì)于始端的偏轉(zhuǎn)角度。
[0027]二維測(cè)量時(shí)，將兩個(gè)單獨(dú)維度內(nèi)分別計(jì)算即可。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:包括安裝在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)臂一端頂部的光電檢測(cè)單元，以及安裝在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)臂另一端頂部的反光面，所述光電檢測(cè)單元包括封裝外殼，封裝外殼朝向并正對(duì)反光面的一側(cè)設(shè)置為殼口，殼口中設(shè)置有半透鏡面、反射鏡面、濾光片構(gòu)成的組合透鏡，其中半透鏡面傾斜設(shè)置在殼口一側(cè)口壁上，反射鏡面傾斜設(shè)置在殼口另一側(cè)口壁上與參考光束成45°夾角，且半透鏡面、反射鏡面相互平行，濾光片設(shè)置在殼口外側(cè)緊貼透鏡外表面與參考光束垂直，同時(shí)封堵殼口，封裝外殼內(nèi)還設(shè)置有激光頭、光敏面，所述激光頭的出光口正對(duì)半透鏡面，光敏面正對(duì)反射鏡面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:所述光電檢測(cè)單元、反光面分別通過(guò)內(nèi)表面曲率與關(guān)節(jié)臂兩端的圓柱形表面曲率相同的耳片安裝在關(guān)節(jié)臂對(duì)應(yīng)端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:激光頭的光軸與反光面中心法線(xiàn)重合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，其特征在于:光敏面為二維位置檢測(cè)器件。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于位移放大原理測(cè)量連桿微變形的裝置，將關(guān)節(jié)臂變形引起的關(guān)節(jié)臂兩個(gè)端面形成的二維偏轉(zhuǎn)角度和位移轉(zhuǎn)換成參考光束在光敏面內(nèi)坐標(biāo)的測(cè)量。由于測(cè)量光路具有位移和角度放大作用，測(cè)量靈敏度和分辨率得以提高，有利于保證較高的測(cè)量精度。本發(fā)明裝置體積小、重量輕、易于集成，可安裝在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量，本發(fā)明裝置測(cè)量結(jié)果可在角度和位移兩方面對(duì)平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，有利于進(jìn)一步提高平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度。
【IPC分類(lèi)】G01B11/16
【公開(kāi)號(hào)】CN105091771
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510271671
【發(fā)明人】于連棟, 魯思穎, 劉寧寧, 趙會(huì)寧, 鄧華夏, 李維詩(shī), 夏豪杰, 張煒, 韓麗玲
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年5月25日