一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置製造方法
2023-09-22 14:09:20 2
一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，針對平行雙關節坐標測量機在幾何尺寸測量過程中，其臂杆杆件部分產生的彈性變形的一種實時誤差補償裝置。該裝置基於雷射檢測原理，結合電子電路檢測臂杆相對於參考光束的彈性變形，實現誤差的在線修正。本發明裝置易於集成，方便快捷，結構輕巧易操作，利用本發明裝置可以更好的修正平行雙關節坐標測量機的測量誤差，從而提高測量精度。
【專利說明】一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及平行雙關節坐標測量機的誤差測量裝置領域，具體為一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置。
【背景技術】
[0002]平行雙關節坐標測量機基於非正交坐標系統，主要由在豎直方向上的移動平臺和位移標尺以及可以在X-Y平面內自由旋轉的測量臂組成。其中Z軸系統主要由電機、絲槓、雙平行導軌、長光柵等零件組成，電機通過絲槓帶動測量臂沿導軌在豎直方向移動，長光柵記錄其移動距離；χ 平面內的測量需要儀器在水平面內有2個自由度，這就靠測量臂內的2個旋轉關節來實現。整個測量臂是由2個旋轉關節、力傳感器、手持件、測頭等部分組成，其中關節I和關節2可以分別繞自身的豎直軸線旋轉，在其頂部安裝高精度角度編碼器，分別用來測量關節I和關節2的組成部件之間的相對旋轉角度。底座固定到行動裝置上，可實現測量車間內小範圍移動，體現坐標測量機應用的靈活性。在實際測量操作時，測量人的手握住手持件，力傳感器感應到人手傳來的向下的拉力或者向上的推力，給後續電路發出信號，控制電機的正反轉，從而控制整個測量臂向上或向下位移。然而由於其靈活的運動結構，誤差控制複雜、精度較難 保證，CMM在測量過程中會產生運動誤差、編碼器誤差、彈性變形、熱誤差、關節誤差等。其中，彈性變形的問題尤為重要，因為CMM採用手持操作，設計時重量達到最輕，敏感的機械系統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測，因此不能輕易補償。
[0003]目前平行雙關節坐標測量機的誤差補償方法分為離線補償和在線補償。離線補償即通過建立誤差模型或已測量的校準數據來提高精度，如關節軸向和徑向竄動，而隨機誤差等則需要一種實時的補償方法即在線補償。
[0004]現今，彈性變形的補償主要有兩種方法。一種是傳統的應力分析法，即先由應力儀(計)測得局部應力的數據，在此數據的基礎上計算撓度。這種方法很複雜而且精度不夠。另一種是傳感器建模法，即利用傳感裝置，通過三個位敏探測器(PSD)分析變形點，在線計算修正誤差。其缺點是採樣率和帶寬受制於PSD的規格、末端效應器的位置誤差，而三維偏轉模型同樣是非常複雜的。因此，截止目前，尚不能有一種很好的方法來修正平行雙關節坐標測量機在測量過程中產生的彈性變形引起的誤差。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，以解決現有技術存在的問題。
[0006]為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為:
[0007]—種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:包括有設置在平行雙關節坐標測量機杆件一端頂部的光學頭，以及設置在平行雙關節坐標測量機杆件另一端頂部的光敏面，所述光學頭與光敏面位置相對，還包括主控電路、雷射驅動單元、雷射二極體、信號檢測電路，所述信號檢測電路、雷射驅動單元分別採用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，雷射二極體輸入端接入雷射驅動單元輸出端，雷射二極體輸出端的出射光束經過光纖耦合至光學頭，由光學頭將雷射二極體的出射光束照射至光敏面上。
[0008]所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述雷射驅動單元為雷射二極體的驅動電路，包括功率驅動電路和信號轉換電路，其中信號轉換電路接收主控電路的控制信號後輸出給功率驅動電路產生大功率信號，再送入雷射二極體。
[0009]所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述光學頭與光敏面處於同一水平高度。
[0010]所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述光學頭為光學纖維材質製成，光學頭中設置有光學自準直鏡頭，雷射二極體的雷射光束經過光學頭中光學自準直鏡頭準直後從光學頭出射。
[0011]所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述光敏面為一個二維PSD器件。
[0012]本發明是針對平行雙關節坐標測量機測量時產生的彈性變形誤差進行補償，修正測量誤差，提高測量精度。本發明基於雷射檢測技術，能夠對平行雙關節坐標測量機測量時杆件由於重力、手持操作力、摩擦、加速度等產生的彈性變形進行實時在線測量並補償，更好的修正其測量誤差，在提高CMM精度方面取得突破性進展。
[0013]本發明的有益效果體現在:
[0014]1、本發明通過光學元器件結合相關電子電路，設計了一種機械臂杆件彈性變形的實時測量裝置。利用檢測電路檢測杆件相對於參考光束的彈性變形，修正誤差。
[0015]2、本發明裝置自給自足、易於集成、重量輕、結構小巧、具有快速的實時的高解析度。
[0016]3、本發明在元器件選取和設計時，光學頭使用光學纖維材質，這提供了更高質量的光束並有效的減少了光束的空間漂移，而作為參考光源雷射二極體和雷射驅動單元有極高的精確設計要求以確保作業系統的穩定性，並且雷射二極體和雷射驅動單元設計為可以從光學頭上脫位，此外，支持探測器和主控電路等多個雷射光源的連接。
[0017]4、本發明中主要組成部分，如光學頭、檢測電路等，由於其體積微小，可以輕鬆的安放在杆件上方，不但便捷，而且將其放置於碳纖維管中使光束等環境敏感器件更好地避免空氣湍流、照明等因素，環境影響降到最小化。
[0018]5、本發明在測量彈性變形時，能精確的進行數據採集的同步處理，測量採樣率能夠超過IkHz。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明裝置系統組成圖。
[0020]圖2為本發明測量機械臂彈性變形原理圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示。一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，包括有設置在平行雙關節坐標測量機杆件I 一端頂部的光學頭2，以及設置在平行雙關節坐標測量機杆件I另一端頂部的光敏面3，光學頭2與光敏面3位置相對，還包括主控電路4、雷射驅動單元
5、雷射二極體6、信號檢測電路7，信號檢測電路7、雷射驅動單元5分別採用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，雷射二極體6輸入端接入雷射驅動單兀5輸出端,雷射二極體6輸出端的出射光束經過光纖8 I禹合至光學頭2,由光學頭2將雷射二極體6的出射光束照射至光敏面3上。
[0022]雷射驅動單元5為雷射二極體的驅動電路，包括功率驅動電路和信號轉換電路，其中信號轉換電路接收主控電路4的控制信號後輸出給功率驅動電路產生大功率信號，再送入雷射二極體6。
[0023]光學頭2與光敏面3處於同一水平高度。
[0024]光學頭2為光學纖維材質製成，光學頭2中設置有光學自準直鏡頭，雷射二極體6的雷射光束經過光學頭2中光學自準直鏡頭準直後從光學頭2出射。
[0025]光敏面3為一個二維PSD器件。
[0026]本發明中，主控電路就是整個系統的控制部分，負責對系統的控制和與外界設備的通訊功能，其中主控電路與雷射驅動單元連接負責控制雷射驅動單元按指定要求產生雷射束，比如控制雷射束的強度，脈衝寬度，脈衝頻率等等，同時主控電路接收信號檢測電路輸出的信號。
[0027]本發明中，光敏面與信號檢測電路是相連的，光敏面負責接收雷射二極體發出的雷射束。光敏面為一個二維PSD器件，雷射二極體發出的光束通過光學頭照射到光敏面上是一個很小的光點，光敏面是一個平面，根據光點在光敏面的不同位置該器件輸出不同的信號，信號中包含光點在平面中的坐標信息，該信號是電信號。信號檢測電路檢測此電信號，將信號中的坐標信息提取出來，並以數字的方式輸出給主控電路。
[0028]本發明中，主控電路和雷射驅動單元、信號檢測電路的連接採用IIC總線的方式。雷射驅動電源和信號檢測電路都作為IIC總線的從設備，其上都有IIC總線接口晶片，由接口晶片引出IIC總線埠，主控電路上也有同樣的IIC總線埠，三個電路上的總線埠是互相連接的，連通它們的線就是IIC總線，當整個系統與外界設備比如PC機或者其他智能設備連接時也是直接將該IIC總線連接至需要的設備上。
[0029]本發明中，雷射驅動單元為雷射二極體的驅動電路，這是一個電子電路，包括功率驅動電路和信號轉換電路，其主要功能就是控制雷射二極體，也就是雷射頭，通過控制雷射二極體的電流通斷來控制雷射二極體發出脈衝光，控制電流的強弱來控制雷射的強度。總之就是通過對流過二極體的電流的多種控制來驅動雷射二極體產生各種參數不同的雷射束。
[0030]本發明裝置應用於平行雙關節坐標測量機的機械臂杆件部分在測量時產生的彈性變形。測量時，雷射驅動單元驅動雷射二極體產生雷射光線作為直線基準光束，經過光纖耦合至帶有光學自準直鏡頭的光學頭，由於光學頭尺寸非常小，允許使用光纖材質獲得高質量光源。光學頭髮出的雷射束就是基準直線光束，投射到檢測電路連接的光敏面上。檢測電路將檢測結果發送至數字總線上，數字總線跟主控電路相連，主控電路通過數字總線可向雷射驅動單元發送命令控制雷射脈衝參數。同時總線結構可以允許多個雷射驅動單元連接，易於集成化和數據的同步處理。[0031]雷射投射到檢測電路的光敏面後檢測電路可計算出投射光斑在感光面上的二維坐標(X，z)，根據該坐標和待測機械臂杆件的臂長可得出待測臂相對於基準直線的彎曲程度。如圖2所示，假設光斑在感光面上的坐標為(x，z)，機械臂端面圓心連線相對於基準直線的偏擺角為-，機械臂長度為L，則有公式:
[0032]
【權利要求】
1.一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:包括有設置在平行雙關節坐標測量機杆件一端頂部的光學頭，以及設置在平行雙關節坐標測量機杆件另一端頂部的光敏面，所述光學頭與光敏面位置相對，還包括主控電路、雷射驅動單元、雷射二極體、信號檢測電路，所述信號檢測電路、雷射驅動單元分別採用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，雷射二極體輸入端接入雷射驅動單元輸出端，雷射二極體輸出端的出射光束經過光纖耦合至光學頭，由光學頭將雷射二極體的出射光束照射至光敏面上。
2.根據權利要求1所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述雷射驅動單元為雷射二極體的驅動電路，包括功率驅動電路和信號轉換電路，其中信號轉換電路接收主控電路的控制信號後輸出給功率驅動電路產生大功率信號，再送入雷射二極體。
3.根據權利要求1所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述光學頭與光敏面處於同一水平高度。
4.根據權利要求1所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述光學頭為光學纖維材質製成，光學頭中設置有光學自準直鏡頭，雷射二極體的雷射光束經過光學頭中光學自準直鏡頭準直後從光學頭出射。
5.根據權利要求1所述的一種測量關節類裝備杆件變形的高精度測量裝置，其特徵在於:所述光敏面為一個二維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 優先權日:2013年8月16日
【發明者】於連棟, 魯思穎, 趙會寧, 杜芸, 董釗, 陸洋, 韓麗玲 申請人:合肥工業大學