一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，将关节臂变形引起的关节臂两个端面形成的二维偏转角度和位移转换成参考光束在光敏面内坐标的测量。由于测量光路具有位移和角度放大作用，测量灵敏度和分辨率得以提高，有利于保证较高的测量精度。本发明专利技术装置体积小、重量轻、易于集成，可安装在机器上实现在线测量，本发明专利技术装置测量结果可在角度和位移两方面对平行双关节坐标测量机测量结果进行补偿，有利于进一步提高平行双关节坐标测量机测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及平行双关节坐标测量机(PDCMM)误差补偿领域，具体是一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置。
技术介绍
平行双关节坐标测量机是一种基于非正交坐标系统的坐标测量设备，其竖直方向即Z轴系统由电机、双平行导轨、丝杠、光栅等零件组成。其XY平面活动机构包括三个关节臂和两个旋转关节及测头系统，测头系统又包括力传感器、手持件、测头等零件。系统工作时通过竖直方向的导轨系统的平移自由度和光栅系统实现Z轴测量，通过关节臂之间的两个旋转关节的旋转自由度及安装在旋转关节顶部的角度编码器实现XY平面内的坐标测量。测量时，手动将测头接触到被测点并控制系统读取竖直方向光栅位移和两个角度编码器的角度值，结合关节臂和测头几何参数代入平行双关节坐标测量机数学模型获取当前被测点的三维坐标信息，该坐标测量机结构小巧易于移动，将机器底座固定于移动设备上可灵活移动。但由于其运动结构灵活，误差控制较为复杂，因此精度难以保证，测量误差主要包括运动误差、弹性变形误差、编码器误差、热误差以及光栅和编码器的示值误差等。目前，圆光栅偏角、关节轴偏摆、零件变形已经成为制约PDCMM测量精度进一步提高的瓶颈。由于重力、热变形以及装配应力等因素的存在。PDCMM各部分零件均有不同程度的变形，尤其是大尺寸的受力零件变形尤为明显。大尺寸结构主要包括三个相连的关节臂和基座。由于热变形以及重力作用，关节臂会出现较为可观的变形量，基座垂直安装在工作台上，自身重力引起的变形量可以忽略不计，但横向伸出的关节臂会对基座立柱形成垂直扭矩，造成立柱弯曲变形。系统产生变形后，测头Z轴将偏离设计方向从而带来阿贝误差。这些变形势必会传递到测量结果中影响测量精度。平行双关节坐标测量机的误差补偿方法主要有离线补偿和在线补偿两种。离线补偿通过已建立的误差模型或已测量的校准数据来消除确定的误差分量，如圆光栅安装的偏心误差等；在线补偿则是一种实时的补偿方式，主要用于消除随机误差和系统漂移和运动误差。坐标测量机运行过程中，机械结构尤其是关节臂的弹性变形是一种主要的误差来源。现今，弹性变形主要通过应力分析法和传感器建模法进行补偿。力分析法由应力仪(计)测得局部应力数据并计算挠度。该方法计算复杂且精度不高。传感器建模法通过位敏探测器(PSD)分析变形点，计算并修正误差。该方法可以测量关节臂变形产生的端点位移偏差，但无法直接测量关节臂变形产生的关节轴二维角度误差，不能有效评定Z轴偏角引起的阿贝误差。因此，截止目前，尚无一种有效方法能实现在线测量关节臂变形引起的Z轴角度偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，以解决现有技术补偿弹性变形的复杂、精度低、可操作性差等问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，其特征在于：包括安装在平行双关节坐标测量机关节臂一端顶部的光电检测单元，以及安装在平行双关节坐标测量机关节臂另一端顶部的反光面，所述光电检测单元包括封装外壳，封装外壳朝向并正对反光面的一侧设置为壳口，壳口中设置有半透镜面、反射镜面、滤光片构成的组合透镜，其中半透镜面倾斜设置在壳口一侧口壁上，反射镜面倾斜设置在壳口另一侧口壁上与参考光束成45°夹角，且半透镜面、反射镜面相互平行，滤光片设置在壳口外侧紧贴透镜外表面与参考光束垂直，同时封堵壳口，封装外壳内还设置有激光头、光敏面，所述激光头的出光口正对半透镜面，光敏面正对反射镜面。所述的一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，其特征在于：所述光电检测单元、反光面分别通过内表面曲率与关节臂两端的圆柱形表面曲率相同的耳片安装在关节臂对应端。所述的一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，其特征在于：激光头的光轴与反光面中心法线重合。所述的一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，其特征在于：光敏面为二维位置检测器件。本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术通过位移测量获取关节臂两端产生的二维微小角度，进而确定关节臂变形量和Z轴偏角，为平行双关节坐标测量机误差修正提供有效依据。2、本专利技术测量结果既能反映关节臂两端产生的二维角度量，也能反映关节臂两端产生的微位移量，在角度和位移两方面都可以对平行双关节坐标测量机测量结果起到补偿作用。3、本专利技术装置将关节臂变形引起的角度量和位移量放大后测量，测量灵敏度和分辨率均得以提高，有利于实现高精度测量。4、本专利技术装置体积小、重量轻、易于集成，可安装于机器上实时测量。附图说明图1为本专利技术装置结构主视图。图2为本专利技术装置光电检测单元结构示意图。图3为本专利技术位移与角度关系原理图。具体实施方式参见图1所示，一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，包括安装在平行双关节坐标测量机关节臂1一端顶部的光电检测单元2，以及安装在平行双关节坐标测量机关节臂1另一端顶部的反光面3，所述光电检测单元2包括封装外壳5，封装外壳5朝向并正对反光面3的一侧设置为壳口，壳口中设置有半透镜面6、反射镜面7、滤光片8构成的组合透镜9，其中半透镜面6倾斜设置在壳口一侧口壁上与参考光束成45°夹角，反射镜面7倾斜设置在壳口另一侧口壁上，且半透镜面6、反射镜面7相互平行，滤光片8设置在壳口外侧紧贴透镜外表面与参考光束垂直，同时封堵壳口，封装外壳5内还设置有激光头10、光敏面11，所述激光头10的出光口正对半透镜面6，光敏面正对反射镜面7。光电检测单元2、反光面3分别通过内表面曲率与关节臂两端的圆柱形表面曲率相同的耳片4安装在关节臂对应端。激光头10的光轴与反光面3中心法线重合。光敏面11为二维位置检测器件。激光头10发射激光作为参考光束，经半透镜面6投射到反光面3，反光面3将激光反射后经过半透镜面6时，一部分光能量被反射到反射镜面7并投射到光敏面11上，由于光敏面11及激光头10密闭封装在封装外壳5内，且滤光镜片8仅允许所选择的激光波长通过，从而使测量系统避免了外界背景光的干扰，通过测量参考光束在光敏面11上的落点坐标可以计算出反光面3相对于平衡位置偏转的二维角度，根据反光面3相对于平衡位置的二维偏转角度可以计算出关节臂1两端的变形量，在一个维度内位移与角度关系如附图所示，由于O2、O3的距离相对于关节臂1的长度l可以忽略不计，近似认为：d1＝l·sinθd2＝l·tan2θ其中：d1近似认为是变形后的关节臂1末端偏离平衡位置的距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，其特征在于：包括安装在平行双关节坐标测量机关节臂一端顶部的光电检测单元，以及安装在平行双关节坐标测量机关节臂另一端顶部的反光面，所述光电检测单元包括封装外壳，封装外壳朝向并正对反光面的一侧设置为壳口，壳口中设置有半透镜面、反射镜面、滤光片构成的组合透镜，其中半透镜面倾斜设置在壳口一侧口壁上，反射镜面倾斜设置在壳口另一侧口壁上与参考光束成45°夹角，且半透镜面、反射镜面相互平行，滤光片设置在壳口外侧紧贴透镜外表面与参考光束垂直，同时封堵壳口，封装外壳内还设置有激光头、光敏面，所述激光头的出光口正对半透镜面，光敏面正对反射镜面。

【技术特征摘要】
1.一种基于位移放大原理测量连杆微变形的装置，其特征在于：包括安装在平行双关节坐标测量机关节臂一端顶部的光电检测单元，以及安装在平行双关节坐标测量机关节臂另一端顶部的反光面，所述光电检测单元包括封装外壳，封装外壳朝向并正对反光面的一侧设置为壳口，壳口中设置有半透镜面、反射镜面、滤光片构成的组合透镜，其中半透镜面倾斜设置在壳口一侧口壁上，反射镜面倾斜设置在壳口另一侧口壁上与参考光束成45°夹角，且半透镜面、反射镜面相互平行，滤光片设置在壳口外侧紧贴透镜外表面与参考光束垂直，同时封堵壳口，封装外壳内还设...

【专利技术属性】
技术研发人员：于连栋，鲁思颖，刘宁宁，赵会宁，邓华夏，李维诗，夏豪杰，张炜，韩丽玲，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34