[发明专利]单关节臂在线原位测量方法及装置

权利要求书

1.一种单关节臂在线原位测量装置，其特征是，由关节臂、测头回转体、测头、z向运动部件、x向运动部件、误差补偿系统及数据处理与控制计算机、电动机组成；

关节臂采用比重小、弹性模量大的碳素纤维制作；关节臂的前端安装有测头回转体，测头安装在测头回转体上，关节臂套装在径向与轴向运动误差小、角摆运动误差小的精密轴系上，套装锁死时，关节臂随精密轴系转动，套装松开时，关节臂可以绕精密轴系转动；

z向运动部件由精密轴系、z向滑板、导轨座组成，精密轴系上安装有精密测角系统，在计算机控制下电动机经过减速箱带动精密轴系转动从而带动关节臂转动所需角度，精密测角系统测得转动所需角度；精密轴系的座固定在z向滑板上，z向滑板上的两个滑枕与z向导轨座上的精密导轨构成直线运动导轨副，z向滑板和z向导轨座上分别装有光栅尺与读数头，利用光栅尺与读数头读出z向滑板相对于z向导轨座的移动量，在计算机控制下，另一电动机经过其减速箱和丝杠带动z向滑板移动到所需位置；

x向运动部件由x向滑板构成，z向导轨座固定在x向滑板上，x向滑板上的两个滑枕与机床基座上的精密导轨构成直线运动导轨副，x向滑板和基座上分别装有光栅尺与读数头，利用该光栅尺与读数头读出x向滑板相对于基座的移到量；在计算机控制下，第三个电动机经过其减速箱和丝杠带动x向滑板移动到所需位置；

误差补偿系统的组成为：在机床基座上装有自准直光管，在z向滑板上装有长反射镜，在测量过程中自准直光管测量长反射镜的角度位置的变化，并按此引入误差补偿；

精密轴系的座与z向滑板的相对位置、z向导轨座与x向滑板的相对位置均可调整；根据标定结果，利用测量机的调整机构将精密轴系的转轴与z向运动调平行，将z向运动调到与x向运动垂直，由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征是，回转体为能够连续回转的测头回转体，或非连续回转的测头回转体，测头为扫描或触发测头，回转体做绕水平与竖直轴转动、关节臂绕精密轴系转动、z向滑板做z向运动；x向滑板做x向运动，最终带动测头实现5自由度的运动。

3.一种单关节臂在线原位测量方法，其特征是，借助于前述单关节臂在线原位测量装置实现，包括下列步骤：

将精密轴系的转轴与z向运动调平行，将z向运动调到与x向运动垂直，由于受机械结构和调整灵敏限的限制，调整不可能完全理想，在调整并稳定一段时间后再次标定，并将残存的误差作为误差补偿的依据；

将关节臂即测头回转体的回转中心到与精密轴线5轴线的垂线与x向运动平行的位置定义为关节臂转角θ的零位，将测头回转体绕B轴即竖直轴转动时测端位置不变的位置定义为测头回转体3的α角零位，将α＝90°时，测头的探针与关节臂平行位置定义为测头回转体的β角零位；

在将整个测量机安装到机床旁后，还需要通过标定，将测量机的x向运动调整到与机床相应运动平行，并让测头的探针在α＝90°、β＝0°时通过机床转台的轴线；

根据测量机的原理结构、建立测量机的数学模型；

让关节臂4按与收拢时相反的方向转180°，进入工作状态；

按照测量任务的要求，根据所建立的数学模型，形成测量的路径规划，在计算机控制下，完成单个叶片或齿、或某个局部的测量，利用测头具有的5个运动自由度，在计算机控制下让测头探针以合适的方向伸入被测零件的槽内、测端移动到指定的待测点；

根据需要，进行扫描或点位测量，同时采集x向滑板、z向滑板的坐标值x和z、关节臂的转角θ、测头回转体绕水平和竖直轴的转角α和β、测头在自身坐标系下三个方向的空间坐标的长度向量读数δ、自准直光管在两个方向的角度值φ、ψ，假设垂直于自准直光管的光路作一平面，其中φ、ψ方向分别为该平面内的水平方向与铅直方向；对测量信号进行调理，含模数转换后进行存储；根据所建立的数学模型和由标定得到的测量机的各个参数和误差值进行误差补偿，获得所测点云各个点的坐标值，对所得到的点云的坐标值进行数据拟合和重构，获得被测曲面的形状；

将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学模型进行比较，合乎要求的通过验收，或允许其进入下一工序；对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序。