一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，針對平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)在幾何尺寸測量過程中，其臂桿桿件部分產(chǎn)生的彈性變形的一種實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償裝置。該裝置基于激光檢測原理，結(jié)合電子電路檢測臂桿相對于參考光束的彈性變形，實(shí)現(xiàn)誤差的在線修正。本發(fā)明裝置易于集成，方便快捷，結(jié)構(gòu)輕巧易操作，利用本發(fā)明裝置可以更好的修正平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)的測量誤差，從而提高測量精度。
【專利說明】一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)的誤差測量裝置領(lǐng)域，具體為一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)基于非正交坐標(biāo)系統(tǒng)，主要由在豎直方向上的移動(dòng)平臺和位移標(biāo)尺以及可以在X-Y平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)的測量臂組成。其中Z軸系統(tǒng)主要由電機(jī)、絲杠、雙平行導(dǎo)軌、長光柵等零件組成，電機(jī)通過絲杠帶動(dòng)測量臂沿導(dǎo)軌在豎直方向移動(dòng)，長光柵記錄其移動(dòng)距離；χ 平面內(nèi)的測量需要儀器在水平面內(nèi)有2個(gè)自由度，這就靠測量臂內(nèi)的2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)測量臂是由2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、力傳感器、手持件、測頭等部分組成，其中關(guān)節(jié)I和關(guān)節(jié)2可以分別繞自身的豎直軸線旋轉(zhuǎn)，在其頂部安裝高精度角度編碼器，分別用來測量關(guān)節(jié)I和關(guān)節(jié)2的組成部件之間的相對旋轉(zhuǎn)角度。底座固定到移動(dòng)設(shè)備上，可實(shí)現(xiàn)測量車間內(nèi)小范圍移動(dòng)，體現(xiàn)坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用的靈活性。在實(shí)際測量操作時(shí)，測量人的手握住手持件，力傳感器感應(yīng)到人手傳來的向下的拉力或者向上的推力，給后續(xù)電路發(fā)出信號，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制整個(gè)測量臂向上或向下位移。然而由于其靈活的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，誤差控制復(fù)雜、精度較難 保證，CMM在測量過程中會產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差、編碼器誤差、彈性變形、熱誤差、關(guān)節(jié)誤差等。其中，彈性變形的問題尤為重要，因?yàn)镃MM采用手持操作，設(shè)計(jì)時(shí)重量達(dá)到最輕，敏感的機(jī)械系統(tǒng)也會受到操作力的影響，而其位置、大小和方向、摩擦甚至加速度等都很難預(yù)測，因此不能輕易補(bǔ)償。
[0003]目前平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)的誤差補(bǔ)償方法分為離線補(bǔ)償和在線補(bǔ)償。離線補(bǔ)償即通過建立誤差模型或已測量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來提高精度，如關(guān)節(jié)軸向和徑向竄動(dòng)，而隨機(jī)誤差等則需要一種實(shí)時(shí)的補(bǔ)償方法即在線補(bǔ)償。
[0004]現(xiàn)今，彈性變形的補(bǔ)償主要有兩種方法。一種是傳統(tǒng)的應(yīng)力分析法，即先由應(yīng)力儀(計(jì))測得局部應(yīng)力的數(shù)據(jù)，在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算撓度。這種方法很復(fù)雜而且精度不夠。另一種是傳感器建模法，即利用傳感裝置，通過三個(gè)位敏探測器(PSD)分析變形點(diǎn)，在線計(jì)算修正誤差。其缺點(diǎn)是采樣率和帶寬受制于PSD的規(guī)格、末端效應(yīng)器的位置誤差，而三維偏轉(zhuǎn)模型同樣是非常復(fù)雜的。因此，截止目前，尚不能有一種很好的方法來修正平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)在測量過程中產(chǎn)生的彈性變形引起的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[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]—種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:包括有設(shè)置在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)桿件一端頂部的光學(xué)頭，以及設(shè)置在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)桿件另一端頂部的光敏面，所述光學(xué)頭與光敏面位置相對，還包括主控電路、激光驅(qū)動(dòng)單元、激光二極管、信號檢測電路，所述信號檢測電路、激光驅(qū)動(dòng)單元分別采用IIC總線的方式接入主控電路，所述光敏面接入信號檢測電路輸入端，激光二極管輸入端接入激光驅(qū)動(dòng)單元輸出端，激光二極管輸出端的出射光束經(jīng)過光纖耦合至光學(xué)頭，由光學(xué)頭將激光二極管的出射光束照射至光敏面上。
[0008]所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述激光驅(qū)動(dòng)單元為激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，包括功率驅(qū)動(dòng)電路和信號轉(zhuǎn)換電路，其中信號轉(zhuǎn)換電路接收主控電路的控制信號后輸出給功率驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生大功率信號，再送入激光二極管。
[0009]所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述光學(xué)頭與光敏面處于同一水平高度。
[0010]所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述光學(xué)頭為光學(xué)纖維材質(zhì)制成，光學(xué)頭中設(shè)置有光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭，激光二極管的激光光束經(jīng)過光學(xué)頭中光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后從光學(xué)頭出射。
[0011]所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述光敏面為一個(gè)二維PSD器件。
[0012]本發(fā)明是針對平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)測量時(shí)產(chǎn)生的彈性變形誤差進(jìn)行補(bǔ)償，修正測量誤差，提高測量精度。本發(fā)明基于激光檢測技術(shù)，能夠?qū)ζ叫须p關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)測量時(shí)桿件由于重力、手持操作力、摩擦、加速度等產(chǎn)生的彈性變形進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量并補(bǔ)償，更好的修正其測量誤差，在提高CMM精度方面取得突破性進(jìn)展。
[0013]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0014]1、本發(fā)明通過光學(xué)元器件結(jié)合相關(guān)電子電路，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械臂桿件彈性變形的實(shí)時(shí)測量裝置。利用檢測電路檢測桿件相對于參考光束的彈性變形，修正誤差。
[0015]2、本發(fā)明裝置自給自足、易于集成、重量輕、結(jié)構(gòu)小巧、具有快速的實(shí)時(shí)的高分辨率。
[0016]3、本發(fā)明在元器件選取和設(shè)計(jì)時(shí)，光學(xué)頭使用光學(xué)纖維材質(zhì)，這提供了更高質(zhì)量的光束并有效的減少了光束的空間漂移，而作為參考光源激光二極管和激光驅(qū)動(dòng)單元有極高的精確設(shè)計(jì)要求以確保操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且激光二極管和激光驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)為可以從光學(xué)頭上脫位，此外，支持探測器和主控電路等多個(gè)激光光源的連接。
[0017]4、本發(fā)明中主要組成部分，如光學(xué)頭、檢測電路等，由于其體積微小，可以輕松的安放在桿件上方，不但便捷，而且將其放置于碳纖維管中使光束等環(huán)境敏感器件更好地避免空氣湍流、照明等因素，環(huán)境影響降到最小化。
[0018]5、本發(fā)明在測量彈性變形時(shí)，能精確的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同步處理，測量采樣率能夠超過IkHz。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明裝置系統(tǒng)組成圖。
[0020]圖2為本發(fā)明測量機(jī)械臂彈性變形原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示。一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，包括有設(shè)置在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)桿件I 一端頂部的光學(xué)頭2，以及設(shè)置在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)桿件I另一端頂部的光敏面3，光學(xué)頭2與光敏面3位置相對，還包括主控電路4、激光驅(qū)動(dòng)單元
5、激光二極管6、信號檢測電路7，信號檢測電路7、激光驅(qū)動(dòng)單元5分別采用IIC總線9的方式接入主控電路4，光敏面3接入信號檢測電路7輸入端，激光二極管6輸入端接入激光驅(qū)動(dòng)單兀5輸出端,激光二極管6輸出端的出射光束經(jīng)過光纖8 I禹合至光學(xué)頭2,由光學(xué)頭2將激光二極管6的出射光束照射至光敏面3上。
[0022]激光驅(qū)動(dòng)單元5為激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，包括功率驅(qū)動(dòng)電路和信號轉(zhuǎn)換電路，其中信號轉(zhuǎn)換電路接收主控電路4的控制信號后輸出給功率驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生大功率信號，再送入激光二極管6。
[0023]光學(xué)頭2與光敏面3處于同一水平高度。
[0024]光學(xué)頭2為光學(xué)纖維材質(zhì)制成，光學(xué)頭2中設(shè)置有光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭，激光二極管6的激光光束經(jīng)過光學(xué)頭2中光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后從光學(xué)頭2出射。
[0025]光敏面3為一個(gè)二維PSD器件。
[0026]本發(fā)明中，主控電路就是整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的控制和與外界設(shè)備的通訊功能，其中主控電路與激光驅(qū)動(dòng)單元連接負(fù)責(zé)控制激光驅(qū)動(dòng)單元按指定要求產(chǎn)生激光束，比如控制激光束的強(qiáng)度，脈沖寬度，脈沖頻率等等，同時(shí)主控電路接收信號檢測電路輸出的信號。
[0027]本發(fā)明中，光敏面與信號檢測電路是相連的，光敏面負(fù)責(zé)接收激光二極管發(fā)出的激光束。光敏面為一個(gè)二維PSD器件，激光二極管發(fā)出的光束通過光學(xué)頭照射到光敏面上是一個(gè)很小的光點(diǎn)，光敏面是一個(gè)平面，根據(jù)光點(diǎn)在光敏面的不同位置該器件輸出不同的信號，信號中包含光點(diǎn)在平面中的坐標(biāo)信息，該信號是電信號。信號檢測電路檢測此電信號，將信號中的坐標(biāo)信息提取出來，并以數(shù)字的方式輸出給主控電路。
[0028]本發(fā)明中，主控電路和激光驅(qū)動(dòng)單元、信號檢測電路的連接采用IIC總線的方式。激光驅(qū)動(dòng)電源和信號檢測電路都作為IIC總線的從設(shè)備，其上都有IIC總線接口芯片，由接口芯片引出IIC總線端口，主控電路上也有同樣的IIC總線端口，三個(gè)電路上的總線端口是互相連接的，連通它們的線就是IIC總線，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)與外界設(shè)備比如PC機(jī)或者其他智能設(shè)備連接時(shí)也是直接將該IIC總線連接至需要的設(shè)備上。
[0029]本發(fā)明中，激光驅(qū)動(dòng)單元為激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，這是一個(gè)電子電路，包括功率驅(qū)動(dòng)電路和信號轉(zhuǎn)換電路，其主要功能就是控制激光二極管，也就是激光頭，通過控制激光二極管的電流通斷來控制激光二極管發(fā)出脈沖光，控制電流的強(qiáng)弱來控制激光的強(qiáng)度?？傊褪峭ㄟ^對流過二極管的電流的多種控制來驅(qū)動(dòng)激光二極管產(chǎn)生各種參數(shù)不同的激光束。
[0030]本發(fā)明裝置應(yīng)用于平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)的機(jī)械臂桿件部分在測量時(shí)產(chǎn)生的彈性變形。測量時(shí)，激光驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)激光二極管產(chǎn)生激光光線作為直線基準(zhǔn)光束，經(jīng)過光纖耦合至帶有光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭的光學(xué)頭，由于光學(xué)頭尺寸非常小，允許使用光纖材質(zhì)獲得高質(zhì)量光源。光學(xué)頭發(fā)出的激光束就是基準(zhǔn)直線光束，投射到檢測電路連接的光敏面上。檢測電路將檢測結(jié)果發(fā)送至數(shù)字總線上，數(shù)字總線跟主控電路相連，主控電路通過數(shù)字總線可向激光驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送命令控制激光脈沖參數(shù)。同時(shí)總線結(jié)構(gòu)可以允許多個(gè)激光驅(qū)動(dòng)單元連接，易于集成化和數(shù)據(jù)的同步處理。[0031]激光投射到檢測電路的光敏面后檢測電路可計(jì)算出投射光斑在感光面上的二維坐標(biāo)(X，z)，根據(jù)該坐標(biāo)和待測機(jī)械臂桿件的臂長可得出待測臂相對于基準(zhǔn)直線的彎曲程度。如圖2所示，假設(shè)光斑在感光面上的坐標(biāo)為(x，z)，機(jī)械臂端面圓心連線相對于基準(zhǔn)直線的偏擺角為-，機(jī)械臂長度為L，則有公式:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:包括有設(shè)置在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)桿件一端頂部的光學(xué)頭，以及設(shè)置在平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)桿件另一端頂部的光敏面，所述光學(xué)頭與光敏面位置相對，還包括主控電路、激光驅(qū)動(dòng)單元、激光二極管、信號檢測電路，所述信號檢測電路、激光驅(qū)動(dòng)單元分別采用IIC總線的方式接入主控電路，所述光敏面接入信號檢測電路輸入端，激光二極管輸入端接入激光驅(qū)動(dòng)單元輸出端，激光二極管輸出端的出射光束經(jīng)過光纖耦合至光學(xué)頭，由光學(xué)頭將激光二極管的出射光束照射至光敏面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述激光驅(qū)動(dòng)單元為激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，包括功率驅(qū)動(dòng)電路和信號轉(zhuǎn)換電路，其中信號轉(zhuǎn)換電路接收主控電路的控制信號后輸出給功率驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生大功率信號，再送入激光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述光學(xué)頭與光敏面處于同一水平高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述光學(xué)頭為光學(xué)纖維材質(zhì)制成，光學(xué)頭中設(shè)置有光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭，激光二極管的激光光束經(jīng)過光學(xué)頭中光學(xué)自準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后從光學(xué)頭出射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量關(guān)節(jié)類裝備桿件變形的高精度測量裝置，其特征在于:所述光敏面為一個(gè)二維PSD器件。
【文檔編號】G01B11/16GK103438816SQ201310359633
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】于連棟, 魯思穎, 趙會寧, 杜蕓, 董釗, 陸洋, 韓麗玲 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)