[发明专利]单关节臂在线原位测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于机械量测量技术及仪器领域，尤其涉及在线测量系统。具体讲，涉及单关节臂在线原位测量系统。

背景技术

国民经济与国防的发展对于产品的精度要求越来越高、各种形状复杂的零件所占的比重越来越大。这些高精度复杂零件加工时间长、加工费用高，不合格品带来的损失大。在加工工艺过程中采用适当的检测装置，适时地检测加工件的各种尺寸、形状、位置参数，对于提高加工精度，保证产品质量、防止或减少废品，具有重要意义。

图1是典型的加工中测量装置示意图。测量装置103在工件102的加工过程中测量工件的尺寸。当工件102的尺寸接近所要求尺寸时，测量装置103发出指令，让机床由粗加工转为精加工。当工件102的尺寸达到所要求尺寸时，测量装置103发出指令，停止加工。图1中101是机床床头箱，104是尾架。

这种加工中测量装置能够有效地提高加工精度，防止产生废品。意大利Marpose公司和我国中原量仪厂等生产这类加工中测量装置。但是这类加工中测量装置只能用于轴径、孔径、台阶高度等一些简单参数的测量。而国民经济与国防中需要加工许多复杂的零件，如发动机整体叶盘、齿轮、箱体等。这些零件形状复杂，首先需要检测的是叶片或齿面等复杂曲面的形状，以及它们的相对位置。图1所示加工中测量装置显然是无能为力的。

对于这类复杂零件，目前最常用的方法是在生产线的两个工序间放置一些专用的、或包括三坐标测量机在内的通用测量仪器。在完成一个加工工序后对加工件进行较全面的检测。根据检测结果只让在上一道工序符合要求的零件进入下一道工序。这样做的好处是避免让不合格的件进入下一道工序，造成工时的浪费。这种方法属于在线检测，它在生产线上进行检测，但不是原位检测，它不在加工工位上进行检测，而是在前一台机床上加工完后卸下，送到测量机上进行检测。

发动机整体叶盘、大型齿轮、大型箱体等都是十分昂贵的，对于原材料要求也很高。原材料与前面已完成的工序加工费用都很高。如果因为某一道工序中某些局部参数不符合要求而报废是十分可惜的，应当尽可能进行返修，使之成为合格件。但是目前广泛采用的在线测量方法是在加工完毕后，将它从机床上卸下，送到测量机上进行检测。如果发现某些局部参数不符合要求再送回原机床返修存在许多困难。一是整个工艺流程不顺，二是将工件从机床上卸下后就失去了它的安装基准，重新安装会因基准改变带来误差。为了解决这两个问题要求进行在线在位检测。

有的数控机床和加工中心带有检测装置。最简单的是在加工完毕后，用机床上配置的测头检测刀具的磨损。这种方法只能发现刀具的磨损，发现不了其它加工误差。较先进的方法是，在刀具退出后，在刀具处换上测头，利用机床带动测头运动，对工件进行检测。这种方法固然能够发现由于刀具磨损、机床振动、由于切削力引起的变形等影响，但是从原理上说它存在问题，它不能发现由于机床运动误差而产生的种种误差。刀具与测头是由同一控制系统、运动机构带动运动，机床的运动误差同时影响加工误差与测量误差。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种机械加工在线测量装置，能够检测到刀具磨损、机床振动、由于切削力引起的变形、机床运动误差等对加工产生的影响，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，单关节臂在线原位测量装置，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；