[发明专利]一种多测头安装角度的调节装置、测量和补偿方法

权利要求书

1.一种多测头安装角度的调节装置，其特征在于：由工作台、左调节和测量系统A以及右调节测量系统B所组成；左调节和测量系统A与右调节和测量系统B在工作台上对称设置；

左调节和测量系统A中：左侧激光测头通过精制锁紧螺母固定在左侧安装臂一端的预置孔上，左侧安装臂轴向长光栅安装在左侧安装臂的上端轴线方向，左侧安装臂另一端通过销轴a与左侧特殊螺母、水平微调量块a连接在一起，左侧特殊螺母以螺纹螺孔方式连接至左侧x向精密丝杠，左侧x向精密丝杠两端连接精密密珠轴承a和精密密珠轴承b以实现定位，左侧x向精密丝杠在一侧通过联轴器a与左侧伺服电机连接，长光栅读数头a与支撑点调整卡扣a连接提供支撑力，长光栅读数头a的作用是读取左侧安装臂轴向长光栅的数据；左调节和测量系统A作用是通过计算机驱动伺服电机实现左侧安装角度的自动调整；

右调节和测量系统B中：右侧激光测头通过精制锁紧螺母固定在右侧安装臂一端预置孔上，右侧安装臂轴向长光栅安装在右侧安装臂的上端轴线方向，右侧安装臂另一端通过销轴b与右侧特殊螺母、水平微调量块b连接在一起，右侧特殊螺母以螺纹螺孔方式连接至右侧x向精密丝杠，右侧x向精密丝杠两端连接两个精密密珠轴承c和精密密珠轴承d实现定位，右侧x向精密丝杠在一侧通过联轴器b与右侧伺服电机连接，上方测量安装臂的长光栅读数头b与支撑点调整卡扣b连接提供支撑力；上方测量安装臂的长光栅读数头b用以读取右侧安装臂轴向长光栅的数据；右调节和测量系统B其作用是通过计算机驱动伺服电机实现右侧安装角度的自动调整；

在测量过程中，左调节和测量系统A和右调节和测量系统B为完全对称的两个系统，两个系统可以各自独立运转、测量；左调节和测量系统A测量过程如下：令支撑点调整卡扣a在工作台上确定支撑位置，长光栅读数头a在支撑位置上留有一个z向旋转自由度，其作用是限制左侧安装臂的五个自由度，并结合左侧安装臂轴向长光栅测量左侧安装臂的轴向移动值，左侧安装臂一端安装面上预设安装孔配合精制锁紧螺母阵列式安装多个左侧激光测头，另一端通过销轴a连接至左侧特殊螺母，水平微调量块实现左侧安装臂的oxy面微调并提供左调节和测量系统A在z轴方向的纵向支撑力；左侧特殊螺母的x轴向运动的动力来源于左侧x向精密丝杠；如果左侧x向精密丝杠转动一圈，与之匹配的左侧特殊螺母则在x向水平线性移动一个导程，测量左侧安装臂的轴向移动值，通过边角关系的转化实现安装角度的测量和粗调；

左侧特殊螺母和右侧特殊螺母结构相同，左侧特殊螺母的内孔攻丝是左旋、右侧特殊螺母的内孔攻丝是右旋；左侧特殊螺母的z轴纵向设计有安装孔，通过销轴a与左侧安装臂的一端相连接；在左侧特殊螺母中部x轴向攻丝与左侧x向精密丝杠相匹配，下部设计为V字形设计保证轴向的线性运动和与支撑位置的相互位置关系；将左侧测x向精密丝杠位移长光栅的读数头与左侧特殊螺母中心轴线上方设置的螺纹孔进行固定连接，为减小阿贝误差的影响，测量左侧特殊螺母x轴向位移量值。

2.根据权利要求1所述的一种多测头安装角度的调节装置，其特征在于：本装置实现两个旋转运动和四个直线运动共六个运动；两个旋转运动为：左侧伺服电机通过联轴器a连接驱动左侧x向精密丝杠的旋转运动，和右侧伺服电机通过联轴器b连接驱动右侧x向精密丝杠的旋转运动；四个直线运动为：左侧特殊螺母、右侧特殊螺母在工作台上V型导轨内的沿x方向的两个直线运动；左侧安装臂、右侧安装臂以各自销轴孔中心为起点以支撑位置读数头为计值点进行安装臂轴线方向的两个直线运动；在工作台上预留与左侧x向精密丝杠、右侧x向精密丝杠的轴线不同垂直距离的支撑位置孔，这样设置的作用是为角度算法提供一个约定真值参数。

3.根据权利要求1所述的一种多测头安装角度的调节装置，其特征在于：本装置还包括电控部分，电控部分由计算机、同步数据采集系统和伺服电机驱动与控制系统所组成；测量、调整装置中有两个伺服电机和四个传感器，两个伺服电机即左侧伺服电机和右侧伺服电机，这两个伺服电机都是通过计算机驱动伺服电机驱动和控制系统进行调控；四个传感器为左侧安装臂轴向长光栅、右侧安装臂轴向长光栅、右侧测x向精密丝杠位移长光栅，左侧测x向精密丝杠位移长光栅，这四个传感器的信号由同步数据采集系统进行处理后，输送至计算机；伺服电机的编码器信号、长光栅传感器数据信号均最终反馈至计算机中；计算机用于实现测量过程电机控制、测量数据接收及存储、角度算法自动运算、打印报表及显示功能。

4.利用权利要求1所述装置进行的一种多测头安装角度的调节装置进行测量的方法，该方法是按以下步骤实现的：

1)在左安装臂、右安装臂上通过精制锁紧螺母安装测头，然后根据计算机上输入的安装角度调整工作台上的支撑点位置，这样就能得到支撑点至丝杠轴心线的垂直距离参数值d’；参数值d’是带有制造误差及安装误差的一个近似真值，令d’＝d+ds，其中d为真值，ds为制造误差及安装误差引起的误差；

2)粗调测量，通过反正弦定理求得左侧安装臂轴向移动值l₀、右侧安装臂轴向移动值l₁，左、右侧安装臂轴向长光栅将安装臂轴向移动量，经信号处理后反馈计算机，计算机控制伺服电机驱动与控制系统驱动精密丝杠旋转，实现安装臂的l₀、l₁移动量，从而满足安装角度要求；那么，粗调测量需安装臂上的长光栅数据测量即可实现；

其中，θ_左、θ_右为左右安装臂测量的角度值；粗调中1)所述的ds制造误差及安装误差引入至角度的测量和调整中来，式(1)中得到的l₀、θ_左、l₁和θ_右实际上都会存在理论偏差；为了满足精密测量需求，在此提出相应的角度测量和调整的补偿方法；

3)在粗调之后，采用反余弦定理实现精调：采用安装臂上的长光栅和丝杠轴向的长光栅，分别采集安装臂轴向再调整前后的移动值和精密丝杠x轴向变化差值；

精密丝杠正转情况，安装臂长光栅得到特殊螺母从B位置移动至C位置，变化量ΔS₁；丝杠轴向长光栅得到对应的安装臂长度AB调整至AC；

其中，Δθ₁为ds引起的第一种角度偏差值，ΔS₁为精密丝杠x正向微调量；

精密丝杠反转情况，安装臂长光栅得到特殊螺母从B位置移动至D位置，变化量ΔS₂；丝杠轴向长光栅得到对应的安装臂长度AB变化至AD；

其中，Δθ₂为ds引起的第二种角度偏差值，ΔS₂为精密丝杠x反向微调量；

χ＝π-(θ_L+θ_R) (4)

其中，χ为两个安装臂之间的夹角，θ_L、θ_R分别为左、右安装臂精调后的安装角；

以精密丝杠传动精度和长光栅分辨率来保障的角度精确度，能最大限度降低步骤1)、2)中机械结构零部件的制造和安装误差对角度的影响；通过精密丝杠正、反转精调，两个长光栅的同步数据采集、处理及计算机控制，可得到精确的安装角度。