本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機及其測量方法。

背景技術(shù)：

三坐標(biāo)測量機作為一種通用性強、自動化程度高的高精度測量系統(tǒng)，在機械、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。三坐標(biāo)測量機在工作過程中將被測工件的各種幾何元素的測量轉(zhuǎn)換為幾何元素上點集坐標(biāo)的測量。在測得這些點的坐標(biāo)位置后，再由軟件按照一定的算法和評定準(zhǔn)則算出被測幾何元素的尺寸、形狀、相對位置等。目前，根據(jù)三坐標(biāo)測量機測頭的形式，可將三坐標(biāo)測量機分為接觸式三坐標(biāo)測量機和非接觸式三坐標(biāo)測量機。非接觸式三坐標(biāo)測量機目前主要有激光點測量和線激光掃描測量兩種形式。對于接觸式三坐標(biāo)測量機和非接觸式激光點測量三坐標(biāo)測量機而言，測量過程需要頻繁的加速、減速，造成了測量速度較慢。非接觸式的線激光掃描測量在測量時加減速過程較少，可以大幅度的提高測量速度，但是由于線激光測量頭的自身誤差大于3μm，加上測量機本身的運動誤差，系統(tǒng)的測量誤差一般不小于5μm，使得其測量精度大幅度下降。現(xiàn)代的精密加工以及科學(xué)研究往往追求微米級的精度，在生產(chǎn)中一般要求測量不確定度小于制造公差的1/3～1/5。因此無論對于測量精度相對較高的接觸式測量，還是非接觸測量，均無法完成高精度的測量工作。

目前在三坐標(biāo)測量和非接觸式測量方面已經(jīng)做了大量工作，如專利“一種基于激光測距的非接觸式測量裝置(201520858271.0)”和專利“一種非接觸式三坐標(biāo)測量機(201620175137.5)”，都采用激光測量裝置，相對傳統(tǒng)的接觸式測量，測量精度有所提高，但是都采用傳統(tǒng)的三軸移動的方式，導(dǎo)致測量速度低下。專利“一種線激光掃描三維輪廓測量方法及裝置(201410087213.2)”中，一字線激光在磁致伸縮微位移控制器的控制下擺動，形成被檢測物體的掃描面，但是該裝置受相機景深和相機成像平面的限制，導(dǎo)致量程小。同時無法精確標(biāo)定激光器與相機之間的關(guān)系，因此測定的精度并不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機及其測量方法，改變了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機的運動形式，將測量頭一個方向的直線運動改變?yōu)楸粶y工件的旋轉(zhuǎn)運動，克服了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機因頻繁加減速而造成的測量速度低下的問題，同時測量頭采用高精度的激光位移傳感器，可大幅度提高三坐標(biāo)的測量的精度，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)制造中對測量精度的需求。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之一是：

一種高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機，包括：

機床；

工作臺，裝接在機床；

主軸，裝接在機床且穿出工作臺；

載物臺，設(shè)在工作臺上并裝接在主軸，載物臺可通過主軸帶動旋轉(zhuǎn)且二者回轉(zhuǎn)軸線重合；該載物臺包括圓盤形的載物臺主體，該載物臺主體上設(shè)有環(huán)形滑槽，該環(huán)形滑槽內(nèi)滑動裝接有兩個可被固定的平衡塊；

工件，裝接在載物臺且可通過載物臺帶動旋轉(zhuǎn)；

框架，裝接在工作臺；

第一方向進(jìn)給機構(gòu)，裝接在框架；

第二方向進(jìn)給機構(gòu)，裝接在第一方向進(jìn)給機構(gòu)；

激光位移傳感器，裝接在第二方向進(jìn)給機構(gòu)，其測量方向與工件相對；該激光位移傳感器的測量精度優(yōu)于10nm，最大采樣頻率不低于492kHz；

在線動平衡儀，與框架和載物臺相連；

用于控制第一方向進(jìn)給機構(gòu)和第二方向進(jìn)給機構(gòu)的控制器，與第一方向進(jìn)給機構(gòu)和第二方向進(jìn)給機構(gòu)相連接；

通過主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器通過第一方向進(jìn)給機構(gòu)對工件表面進(jìn)行掃描并采集工件表面的點的位置數(shù)據(jù)，處理得到工件的三維形貌。

一實施例中：所述在線動平衡儀包括相互連接的振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和動平衡儀主機，該振動傳感器與框架相連，該轉(zhuǎn)速傳感器裝接在工作臺且與載物臺相連。

一實施例中：所述平衡塊上設(shè)有緊定螺釘，通過該緊定螺釘將平衡塊固定在環(huán)形滑槽內(nèi)。

一實施例中：所述第一方向進(jìn)給機構(gòu)的定位精度優(yōu)于10nm。

一實施例中：所述第一方向進(jìn)給機構(gòu)為直線電機；所述第二方向進(jìn)給機構(gòu)為直線電機。

一實施例中：所述第一方向進(jìn)給機構(gòu)的進(jìn)給軸線對主軸回轉(zhuǎn)軸線的垂直度誤差不大于1μm/200mm。

一實施例中：所述第一方向與第二方向相互垂直。

一實施例中：所述機床由天然大理石制成。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之二是：

一種利用上述的高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機的測量方法，包括：

1)工件裝接在載物臺，工件的質(zhì)心與載物臺和主軸的回轉(zhuǎn)軸線重合；

2)主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)，利用在線動平衡儀對主軸、載物臺和工件進(jìn)行整體在線動平衡，使得旋轉(zhuǎn)運動不平衡引起的振動不大于10nm；

3)通過第二方向進(jìn)給機構(gòu)調(diào)整激光位移傳感器相對工件的位置，確定測量起始點，并使工件位于激光位移傳感器的量程范圍內(nèi)；

4)啟動主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)，通過第一方向進(jìn)給機構(gòu)帶動激光位移傳感器由測量起始點出發(fā)，由工件外圍沿載物臺徑向向工件進(jìn)給至工件回轉(zhuǎn)中心位置，進(jìn)給過程中對工件表面進(jìn)行螺旋式掃描并采集工件上的點的位置數(shù)據(jù)；

5)將采集到的工件上的點的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到工件上的點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律，從而得到工件的三維形貌。

一實施例中：所述步驟1)中，所述測量起始點位于工件最大回轉(zhuǎn)半徑外3～5mm。

本技術(shù)方案與背景技術(shù)相比，它具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明的高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機及其測量方法，改變了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機的運動形式，將測量頭一個方向的直線運動改變?yōu)楸粶y工件的旋轉(zhuǎn)運動，克服了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機因頻繁加減速而造成的測量速度低下的問題，同時測量頭采用高精度的激光位移傳感器，可大幅度提高三坐標(biāo)的測量的精度，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)制造中對測量精度的需求。由于采用了非接觸式的測量方式，還可以對材質(zhì)較軟、表面易劃傷等不宜采用接觸式測量方式的工件進(jìn)行測量。

2.本發(fā)明通過提高被測工件的旋轉(zhuǎn)速度，結(jié)合精度優(yōu)于10nm激光位移感器，使得采樣頻率足夠高，可以高達(dá)400KHz。而傳統(tǒng)的接觸式的測量方式，由于存在機械接觸，采樣頻率十分低，故測量速度十分慢。因此本發(fā)明相對于常規(guī)接觸式測量方法而言測量精度可以提高一個數(shù)量級。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明的高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機俯視示意圖。

圖3為本發(fā)明的載物臺結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的測量原理示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例中得到的工件的3D數(shù)字模型示意圖。

附圖標(biāo)記：機床1，工作臺2，主軸3，框架4，X向直線電機5，Z向直線電機6，激光位移傳感器7，載物臺8，載物臺主體8a，平衡塊8b，緊定螺釘8c；工件9。

具體實施方式

下面通過實施例具體說明本發(fā)明的內(nèi)容：

請查閱圖1和圖2，一種高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機，包括：

機床1，由天然大理石制成，具有較小的熱變形，能夠保證測量機的測量精度；

工作臺2，裝接在機床1上；

主軸3，豎直布置地裝接在機床1且其軸頭向上穿出工作臺2；

載物臺8，設(shè)在工作臺2上并裝接在主軸3軸頭，載物臺8可通過主軸3帶動旋轉(zhuǎn)且二者回轉(zhuǎn)軸線重合；該載物臺8包括圓盤形的載物臺主體8a，該載物臺主體8a上設(shè)有環(huán)形滑槽，該環(huán)形滑槽內(nèi)滑動裝接有兩個平衡塊8b；該兩個平衡塊8b上均設(shè)有緊定螺釘8c，通過緊定螺釘8c可將平衡塊8b固定在環(huán)形滑槽內(nèi)，如圖3；

工件9，裝夾在載物臺8且可通過載物臺8帶動旋轉(zhuǎn)；

框架4，裝接在工作臺2上；

第一方向進(jìn)給機構(gòu)，為高精度的X向直線電機5，水平地裝接在框架4，其定位精度優(yōu)于10nm，同時進(jìn)給速度范圍應(yīng)盡量大；本實施例之中，X向為水平方向，該X向直線電機5的進(jìn)給軸線對主軸3回轉(zhuǎn)軸線的垂直度誤差不大于1μm/200mm；

第二方向進(jìn)給機構(gòu)，為Z向直線電機6，裝接在X向直線電機5的動子上；本實施例之中，Z向為豎直的上下方向；

激光位移傳感器(如基恩士LK-H008型激光位移傳感器)7，裝接在Z向直線電機6的動子上，其測量方向豎直向下與工件9相對；該激光位移傳感器7的測量精度優(yōu)于10nm，最大采樣頻率不低于492kHz(該最大采樣頻率為激光位移傳感器的設(shè)備參數(shù)，為激光位移傳感器采樣頻率所能達(dá)到的最大值，例如激光位移傳感器的最大采樣頻率為492kHz，則表明該激光位移傳感器的采樣頻率為0～492kHz)；

在線動平衡儀，包括相互連接的振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和動平衡儀主機，該振動傳感器吸附在框架4，該轉(zhuǎn)速傳感器裝接在工作臺5且與載物臺8相連；振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器可分別將框架4振動情況和載物臺8轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳遞至動平衡儀主機；

控制器，與X向直線電機5和Z向直線電機6相連接，能夠控制X向直線電機5和Z向直線電機6的運動。

本發(fā)明的高速高精度非接觸式三坐標(biāo)測量機的測量方法如下：

1)工件9裝夾在載物臺8，使工件9的質(zhì)心與載物臺8和主軸3的回轉(zhuǎn)軸線盡可能重合；旋松載物臺8上兩個緊定螺釘8c，使得兩個平衡塊8b可在環(huán)形滑槽內(nèi)自由滑動；

2)主軸3帶動工件9旋轉(zhuǎn)，利用在線動平衡儀對主軸3、載物臺8和工件9進(jìn)行整體在線動平衡，即動平衡儀主機根據(jù)檢測到的振動和轉(zhuǎn)速信息給出調(diào)整提示，通過調(diào)整和鎖緊載物臺8上兩個平衡塊8b在環(huán)形滑槽內(nèi)的位置來進(jìn)行在線動平衡，通過調(diào)節(jié)使得旋轉(zhuǎn)運動不平衡引起的振動不大于10nm，達(dá)到需要的平衡精度等級；

3)通過控制器調(diào)控Z向直線電機6調(diào)整激光位移傳感器7相對工件9的高度，確定測量起始點，并使工件9位于激光位移傳感器7的量程范圍內(nèi)；

4)啟動主軸3帶動工件9以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過控制器調(diào)控X向直線電機5帶動激光位移傳感器7由測量起始點出發(fā)，由工件9外圍以設(shè)定的進(jìn)給速度沿載物臺8徑向向工件9進(jìn)給，X向直線電機5的直線運動與工件9的旋轉(zhuǎn)運動相結(jié)合，使得激光位移傳感器7進(jìn)給過程中對工件9表面進(jìn)行螺旋式掃描并采集工件上的點的位置數(shù)據(jù)；當(dāng)掃描至工件9回轉(zhuǎn)中心位置時，X向直線電機5停止運動，激光位移傳感器7停止掃描，測量結(jié)束；

5)將采集到的工件9上的點的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過處理得到工件9上的點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律，根據(jù)該些信息可繪制出工件9的三維形貌，得到工件9的3D數(shù)字模型。

6)通過軟件將工件9的3D數(shù)字模型與工件9的設(shè)計CAD模型進(jìn)行比對，可對各個幾何特征的尺寸誤差，形狀誤差以及各個特征間的位置誤差等進(jìn)行評價。

需要注意的是，所述測量起始點應(yīng)位于工件9最大回轉(zhuǎn)半徑外3～5mm為佳，以保證激光位移傳感器7從測量起始點開始掃描至工件9之前就已加速到設(shè)定的進(jìn)給速度，保證掃描過程始終按照設(shè)定的進(jìn)給速度進(jìn)行，同時又不至于太遠(yuǎn)。

下面通過具體例子說明：

1)將直徑為75mm，上表面為異性曲面的工件通過機械裝夾的方式固定在載物臺，使工件的質(zhì)心與載物臺和主軸的回轉(zhuǎn)軸線盡可能重合；旋松載物臺上兩個緊定螺釘，使得兩個平衡塊可在環(huán)形滑槽內(nèi)自由滑動；

2)主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)，利用在線動平衡儀對主軸、載物臺和工件進(jìn)行整體在線動平衡，即動平衡儀主機根據(jù)檢測到的振動和轉(zhuǎn)速信息給出調(diào)整提示，通過調(diào)整和鎖緊載物臺上兩個平衡塊在環(huán)形滑槽內(nèi)的位置來進(jìn)行在線動平衡，通過調(diào)節(jié)使得轉(zhuǎn)速在0～200rpm范圍內(nèi)時，旋轉(zhuǎn)運動不平衡引起的框架振動幅值不大于10nm；

3)通過Z向直線電機調(diào)整激光位移傳感器相對工件的高度，確定測量起始點，并使工件位于激光位移傳感器的量程范圍內(nèi)；本實施例之中，測量起始點相對于工件回轉(zhuǎn)軸線的回轉(zhuǎn)半徑為41mm，保證可以測得工件的全貌，且激光位移傳感器從測量起始點開始掃描至工件之前就已加速到設(shè)定的進(jìn)給速度；

4)啟動主軸帶動工件以轉(zhuǎn)速200rpm旋轉(zhuǎn)，設(shè)定X向直線電機的進(jìn)給速度為f＝0.03mm/s，激光位移傳感器的采樣頻率為f_s＝100KHz，通過X向直線電機帶動激光位移傳感器由測量起始點出發(fā)，由工件外圍以進(jìn)給速度沿載物臺徑向向工件進(jìn)給，當(dāng)X向直線電機加速至設(shè)定進(jìn)給速度后，激光位移傳感器開始以設(shè)定采樣頻率采集數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)給出激光位移傳感器采集第一個點的位置數(shù)據(jù)時測量點與回轉(zhuǎn)中心的距離即初始測量半徑r＝40mm；進(jìn)給過程中，X向直線電機的直線運動與工件的旋轉(zhuǎn)運動相結(jié)合，使得激光位移傳感器進(jìn)給過程中對工件表面進(jìn)行螺旋式掃描并采集工件上的點的位置數(shù)據(jù)；當(dāng)掃描至工件回轉(zhuǎn)中心位置時，X向直線電機停止運動，激光位移傳感器停止掃描，測量結(jié)束；

5)由步驟4)可知，激光位移傳感器測量點進(jìn)行螺旋式掃描的的掃描軌跡滿足極坐標(biāo)方程ρ＝40-0.0045θ，其中θ為圓盤形載物臺的轉(zhuǎn)角(表示圓盤形載物臺在某一時刻相對于激光位移傳感器采集第一個點時圓盤轉(zhuǎn)過的角度)，如圖4，且每轉(zhuǎn)過π/15000弧度激光位移傳感器采一個點。根據(jù)上述規(guī)律，將采集到的工件上的點的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過處理得到工件上的點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律，根據(jù)該些信息可繪制出工件的三維形貌，得到工件的3D數(shù)字模型，如圖5。

6)通過軟件將工件的3D數(shù)字模型與工件的設(shè)計CAD模型進(jìn)行比對，可對各個幾何特征的尺寸誤差，形狀誤差以及各個特征間的位置誤差等進(jìn)行評價。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。