适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置及方法制造方法及图纸

适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置及方法。机床上有与主轴连接的X轴导轨和与Y轴升降台连接的Z轴导轨，主轴有安有3R快换夹具的支撑座和吸有标准球一的真空吸盘，过渡件与3R快换夹具和标准球二连接；测量传感器固定件设在Y轴升降台前且有测量传感器。主轴上固定有工件，将在位检测机构安在Z轴导轨上，将3R快速夹具固定于主轴上；驱动主轴及Y轴升降台，对标准球二执行球冠顶点扫描操作，找到标准球二的位置P2(x,y)；驱动主轴和Y轴升降台，找出ΔP进行二维截面或三维模式检测，系统处理后得到测量结果。本发明专利技术可实现位移传感器在高度方向上的精密调节，具备实现多种球面典型的特征结构的三维表面重构的能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超精密机床加工零件的在位检测装置及方法，尤其是机床加工零件

技术介绍
目前，大多数在位检测装置均为接触式，以接触式探针作为执行检测的核心部件，虽然此类测量装置有较高的机械可靠性，但是在测量过程中，由于测量探针与被测零件表面充分接触，测量探针在一定程度上会对被测零件表面产生划伤，同时也会带入测量误差，这会对测量结果的精度产生影响，造成测量值的不真实。只有少数在位检测装置为非接触式，非接触式测量可以有效地克服接触式测量存在的上述的缺陷及不足，能够在一定程度上提高测量精度，现阶段已存在的非接触式在位检测装置只能对被检测工件进行二维检测，不具备三维检测能力，因此此类设备对于球面、非球面、非结构表面以及非回转对称表面的检测存在一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置及方法，该装置以白光共焦位移传感器作为测量传感器，并采用PI超精密一维移动平台作为机床的Y轴升降台，可实现白光共焦位移传感器在高度方向上的精密调节。该装置及方法实现了对被加工件表面的面型和粗糙度的精密测量，同时该装置具备实现球面、非球面、非结构表面以及非回转对称表面等典型的特征结构的三维表面重构的能力。实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置，包括X轴导轨、Z轴导轨、在位检测机构、标准球一、主轴、标准球二、支撑座、3R快换夹具、过渡件以及真空吸盘；所述的在位检测机构包括Y轴升降台、测量传感器及测量传感器固定件；所述的X轴导轨和Z轴导轨均固定在机床主体的上表面，主轴通过主轴机座与X轴导轨固定连接，Y轴升降台通过Y轴机座与Z轴导轨固定连接，所述的主轴的上表面与支撑座的下表面固定连接，所述的支撑座与所述的Y轴升降台相邻的一端安装有3R快换夹具，所述的3R快换夹具与过渡件的一端固定连接，所述的过渡件的另一端安装有标准球二；主轴上与Y轴升降台相邻的一端固定设置有真空吸盘，所述的标准球一位于标准球二同侧且吸附在真空吸盘上，所述的标准球二与标准球一错位设置，测量传感器固定件设置在Y轴升降台前侧且与Y轴升降台固定连接，所述的测量传感器固定件前侧面固定安装有测量传感器。一种利用所述的非接触在位检测装置实现超精密机床加工零件的非接触在位检测的方法，所述的方法步骤如下：步骤一：对双标准球校准；（一）、采用电感测微仪调节标准球一的位置，使所述的标准球一球心位于机床主轴回转轴线上；（二）、驱动主轴在X轴导轨移动从而带动标准球一同步移动，使标准球一实现X轴方向运动；驱动Y轴升降台上下移动，从而带动测量传感器固定件及测量传感器沿Y轴方向同步运动，使测量传感器对准所述的标准球一球冠极点位置，记录下此时X轴坐标及测量传感器固定件在Y轴的位置P1(x,y)，设定位置P1(x,y)为标准球一回转中心位置；（三）、将标准球一从主轴上取下，将3R快换夹具及其附带的过渡件和标准球二安装在支撑座上，执行所述的标准球二球冠顶点扫描操作，之后，调整测量传感器位置，使得测量传感器对准标准球二的球冠极点位置，记录下此时X轴坐标和测量传感器固定件在Y轴的位置P2(x,y)，设定位置P2(x,y)为标准球二参考中心位置；（四）、将标准球一的回转中心位置P1(x,y)和标准球二的参考中心位置P2(x,y)相应坐标做差得到相对位置偏差ΔP，用软件记录这个位置偏差ΔP并保存（保存到配置文件中，这样即完成了在位检测装置安装位置的确定），之后，将在位检测机构从机床主体上取下，将3R快换夹具及其附带的过渡件和标准球二从主轴上取下；步骤二：在位检测；（一）、将加工完的工件吸附在主轴上，将在位检测机构重新滑动安装在Z轴导轨上，将3R快速夹具附带的标准球二以及过渡件固定在支撑座上；（二）、驱动主轴及Y轴升降台，对标准球二执行球冠顶点扫描操作，以找到标准球二的位置P2(x,y)；（三）、在得到标准球二的位置P2(x,y)后，分别驱动主轴沿X轴方向移动，驱动Y轴升降台沿Y轴方向移动，二者相对位置偏差ΔP即分别为在X轴和Y轴方向上的投影，移动完成后，使得测量传感器的光轴与主轴回转中心重合；（四）、按照所加工零件的几何构造进行相对应的二维截面或三维模式检测，测量数据经过控制软件系统处理后得到最终的测量结果，并显示在控制软件的交互界面中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利以白光共焦位移传感器为核心测量部件，并以PI运动平台作为辅助设备进行高度方向的精密调节，基于双标准球的方法对主轴回转中心线进行了精密标定并确定了两个标准球之间的相对位置关系。本专利技术具备对平面、球面、非球面、微结构及非回转对称表面等典型特征表面进行三维测量的能力，同时将测量精度大幅度提高，可达到100nm以内，此外，本专利技术还具备操作简单、控制稳定、集成度较高等特点。附图说明图1是本专利技术的适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置的整体结构轴测图；图2是包含有本专利技术的在位检测装置的在位检测系统组成框图；图3是机床控制模块结构框图；图4是图1的测量传感器的光学原理图；图5是球冠定点扫描示意图；图中所示出的部件名称及标号如下：1-机床主体；2-X轴导轨；3-Y轴升降台；4-Z轴导轨；5-标准球一；6-主轴；7-标准球二；8-支撑座；9-3R快换夹具；10-过渡件；11-测量传感器；12-测量传感器固定件；13-真空吸盘；14-在位检测机构；A-白光光源；B-分光镜；C-棱镜；D-光源的单色成像点；D1-有色光一；D2-有色光二；D3-有色光三；E-聚焦点；F-被检测工件表面；G-通光孔；H-X轴扫描轨迹；I-Y轴扫描轨迹；J-球冠顶点。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术公开了适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置，包括X轴导轨2、Z轴导轨4、在位检测机构14、标准球一5、主轴6、标准球二7、支撑座8、3R快换夹具9、过渡件10以及真空吸盘13；所述的在位检测机构14包括Y轴升降台3、测量传感器11及测量传感器固定件12；所述的X轴导轨2和Z轴导轨4均固定在机床主体1的上表面，主轴6通过主轴机座与X轴导轨2通过螺栓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置，包括X轴导轨（2）、Z轴导轨（4）、在位检测机构（14）、标准球一（5）、主轴（6）、标准球二（7）、支撑座（8）、3R快换夹具（9）、过渡件（10）以及真空吸盘（13）；所述的在位检测机构（14）包括Y轴升降台（3）、测量传感器（11）及测量传感器固定件（12）；其特征在于：所述的X轴导轨（2）和Z轴导轨（4）均固定在机床主体（1）的上表面，主轴（6）通过主轴机座与X轴导轨（2）（通过螺栓）固定连接，Y轴升降台（3）通过Y轴机座与Z轴导轨（4）（通过螺栓）固定连接，所述的主轴（6）的上表面与支撑座（8）的下表面固定连接，所述的支撑座（8）与所述的Y轴升降台（3）相邻的一端安装有3R快换夹具（9），所述的3R快换夹具（9）与过渡件（10）的一端固定连接，所述的过渡件（10）的另一端安装有标准球二（7）；主轴（6）上与Y轴升降台（3）相邻的一端（通过螺栓）固定设置有真空吸盘（13），所述的标准球一（5）位于标准球二（7）同侧且吸附在真空吸盘（13）上，所述的标准球二（7）与标准球一（5）错位设置，测量传感器固定件（12）设置在Y轴升降台（3）前侧且与Y轴升降台（3）（通过螺栓）固定连接，所述的测量传感器固定件（12）前侧面固定安装有测量传感器（11）。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置，包括X轴导轨（2）、Z轴导轨
（4）、在位检测机构（14）、标准球一（5）、主轴（6）、标准球二（7）、支撑座（8）、3R快换夹具（9）、
过渡件（10）以及真空吸盘（13）；所述的在位检测机构（14）包括Y轴升降台（3）、测量传感器
（11）及测量传感器固定件（12）；其特征在于：所述的X轴导轨（2）和Z轴导轨（4）均固定在机
床主体（1）的上表面，主轴（6）通过主轴机座与X轴导轨（2）（通过螺栓）固定连接，Y轴升降台
（3）通过Y轴机座与Z轴导轨（4）（通过螺栓）固定连接，所述的主轴（6）的上表面与支撑座（8）
的下表面固定连接，所述的支撑座（8）与所述的Y轴升降台（3）相邻的一端安装有3R快换夹
具（9），所述的3R快换夹具（9）与过渡件（10）的一端固定连接，所述的过渡件（10）的另一端
安装有标准球二（7）；主轴（6）上与Y轴升降台（3）相邻的一端（通过螺栓）固定设置有真空吸
盘（13），所述的标准球一（5）位于标准球二（7）同侧且吸附在真空吸盘（13）上，所述的标准
球二（7）与标准球一（5）错位设置，测量传感器固定件（12）设置在Y轴升降台（3）前侧且与Y
轴升降台（3）（通过螺栓）固定连接，所述的测量传感器固定件（12）前侧面固定安装有测量
传感器（11）。
2.根据权利要求1所述的适用于超精密机床加工零件的非接触在位检测装置，其特征
在于：所述的测量传感器（11）为白光共焦位移传感器。
3.一种利用权利要求1所述的非接触在位检测装置实现超精密机床加工零件的非接触
在位检测的方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：
步骤一：对双标准球校准；
（一）、采用电感测微仪调节标准球一（5）的位置，使所述的标准球一（5）球心位于机床
主轴（6）回转轴线上；
驱动主轴（6）在X轴导轨（2）移动从而带动标准球一（5）同步移动，使标准球一（5）实现X
轴方向运动；驱动Y轴升降台（3）上下移动，从而带动测量传感器固定件（12）及测量传感器<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学森，李国，邹喜聪，胡振江，李增强，孙涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23