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专利名称：交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置及精度检测方法
技术领域：
本发明属于具有回转运动设备的几何精度检测技术领域，涉及一种交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，本发明还涉及一种交点内置正交回转轴轴线共面度精度检测方法。
背景技术：
机器中具有正交、交点内置的回转运动轴的情况很多，如五轴数控机床及坐标测量机中的正交、交点内置的A轴(或B轴)和C轴、A轴(或B轴)和电主轴，机器人中的串联正交的回转关节等都属于正交、交点内置的回转运动轴。正交、交点内置的回转轴的轴线共面度精度对机器整机的几何精度有重要影响。当两个回转运动轴的轴线垂直相交且交点在结构内部时，称为正交、交点内置回转轴。由于交点内置，故无法直接在交点处进行检测，目前尚缺乏适用的正交、交点内置回转轴轴线共面度的高精度检测装置，无法直接实施该种方面的精度检测。

发明内容
本发明的目的是提供一种交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，解决了现有正交、交点内置回转轴轴线共面度的检测精度无法高精度检测的问题。本发明的另一目的是提供一种交点内置正交回转轴轴线共面度精度检测方法。本发明所采用的技术方案是，一种交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，在前组件壳体上同轴连接有前组件回转体，前组件回转体与后组件壳体固定连接，后组件壳体内安装有后组件回转体，后组件回转体的端头安装有三维移动微调机构C，三维移动微调机构C通过水平设置的连接杆与标准球连接，标准球的水平方向对应设置有三维移动微调机构B，三维移动微调机构B端头设置有非接触位移传感器b，标准球的下方竖直设置有对应的三维移动微调机构A，三维移动微调机构A的端头设置有非接触位移传感器a，三维移动微调机构A和三维移动微调机构B固定安装在相对前组件壳体不动的固定支架上。本发明所采用的另一技术方案是，一种利用权利要求1所述的装置进行交点内置正交回转轴轴线共面度精度检测方法，按照以下步骤实施步骤1、调整三维移动微调机构C，使标准球球心在包含后组件回转体回转轴线且垂直于前组件回转体回转轴线的平面内，并使标准球球心至前组件回转体回转轴线的垂直距离为标准球球心至后组件回转体回转轴线垂直距离的ν 倍；步骤2、分别调整三维移动微调机构Α、三维移动微调机构B，使非接触位移传感器 a和非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体回转轴线且垂直与前组件回转体回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体回转轴线垂直；
步骤3、将检测装置调整到检测状态1 ①分别微调三维移动微调机构A、三维移动微调机构B，使非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测头对准标准球球体的最大半径，且仍使非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体回转轴线且垂直与前组件回转体回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体回转轴线垂直；②读取检测状态1下的非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测量值δ al 和 Sbl ；步骤4、将检测装置调整到检测状态2 ①将后组件回转体回转180°，将前组件回转体回转90°，转动后转变为检测状态2 ；②读取检测状态2下的非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测量值δ a2 和 Sb2 ；步骤5、将检测状态1和检测状态2检测值进行比较①计算检测状态1和检测状态2下非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的读数差，Aa= 5a2-5ai;Ab= 5b2-5bl；②比较Aa* Ab，当Aa* Ab的差值大于预设值时，微调三维移动微调机构C，微小改变标准球的球心位置，且仍使标准球球心在包含后组件回转体回转轴线且垂直于前组件回转体回转轴线的平面内；③将后组件回转体回转180°，将前组件回转体回转-90°，返回状态1;步骤6、重复步骤3-步骤5，直至达到Aa Ab为止；步骤7、按照下式得到正交、交点内置的回转轴轴线共面度偏差e e= (Aa+Ab)/2。本发明的有益效果是1)检测精度高，①检测中只有被测对象的两个正交回转轴组件的回转运动(后回转体回转180°，前回转体回转90° )，没有利用其他轴的运动，因此没有其他检测运动的误差干扰；②采用两个非接触位移传感器同时测量共面度，均化了测量误差；③采用了精密微调，可使非接触位移传感器的测头准确对准标准球球体的最大半径；2)适用于悬臂式交点内置的正交轴、钳式(前回转组件的壳体象钳子，有两个对称布置且同步转动的回转体)交点内置的正交轴的共面度检测。


图1是本发明装置的侧视结构示意图；图2是本发明装置在检测状态1的正视结构图；图3是本发明装置在检测状态2的正视结构图；图4是本发明方法中的检测状态1的检测原理简化图；图5是本发明方法中的检测状态2的检测原理简化图；图6是本发明方法的前回转轴组件为摆动进给部件、后回转轴组件为电主轴的钳式交点内置的正交轴结构示意图；图7是本发明方法的前回转轴组件为摆动进给部件、后回转轴组件为进给转台的钳式交点内置正交轴(即双回摆式交点内置正交轴)结构示意图。图中，1.前组件壳体，2.前组件回转体，3.后组件壳体，4.后组件回转体，5.三维移动微调机构C，6.连接杆，7.标准球，8.三维移动微调机构A，9.三维移动微调机构B，另外，a.非接触位移传感器，b.非接触位移传感器。
具体实施例方式如图1所示，本发明的交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，用于正交、交点内置的回转轴轴线共面度高精度检测，其结构是，在前组件壳体1上同轴连接有前组件回转体2，前组件回转体2与后组件壳体3固定连接，后组件壳体3内安装有后组件回转体4， 后组件回转体4的端头安装有三维移动微调机构C5。三维移动微调机构C5通过水平设置的连接杆6与标准球7连接，标准球7的水平方向对应设置有三维移动微调机构B9及安装其上的(Y方向的)非接触位移传感器b，标准球7的下方竖直设置有对应的三维移动微调机构A8及安装其上的(Z方向的)非接触位移传感器a，即为本发明的检测状态1，参照图2 ；将后组件回转体4回转180°，前组件回转体2回转90°，即为本发明方法中的检测状态2，参照图3。标准球7的球心和非接触位移传感器a、非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体4回转轴线O2O3且垂直于前组件回转体2回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体4回转轴线O2O3平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体4回转轴线O2O3垂直，非接触位移传感器a、非接触位移传感器b的测头对准标准球7 球体的最大半径。本发明装置的检测对象为两个正交、交点内置的回转轴组件，前回转轴组件主要包括前组件壳体1和前组件回转体2组成，后回转轴组件主要包括后组件壳体3和后组件回转体4组成，后回转轴组件的后组件壳体3与前组件回转体2固定连接。三维移动微调机构A8和三维移动微调机构B9固定安装在相对前组件壳体1不动的固定支架上(图中未标示出)，上述的三个三维移动微调机构，均可在互相垂直的三个方向进行精密位移调整。如图2到图7中所示，H1为绕前组件回转体2轴线回转，n2为绕后组件回转体4 轴线回转，O2O3为后组件回转体4的回转轴线，O1为包含后组件回转体4回转轴线O2O3且垂直于前组件回转体2回转轴线的平面与前组件回转体2回转轴线的交点，O4为标准球球心(球心O4在包含过O1O2O3的平面内)，O3O4为过球心O4垂直于后组件回转体4回转轴线 O2O3的垂线，L2为球心O4至后组件回转体4回转轴线O2O3的垂直距离，L1为球心O4至O1A 的垂直距离，e为前组件回转体2回转轴线与后组件回转体4回转轴线共面度偏差。本发明利用上述的检测装置，进行交点内置正交回转轴轴线共面度精度检测的方法，参照图4、图5，例如以数控机床A轴与电主轴的正交轴为例，取坐标系XYZ，X坐标轴与前回转轴组件回转轴线重合，Z坐标轴理论上与后回转轴组件回转轴线重合，按照以下步骤实施步骤1、调整三维移动微调机构C5，使标准球7球心在包含后组件回转体4回转轴线且垂直于前组件回转体2回转轴线的平面内，并使标准球7球心至前组件回转体2回转
轴线的垂直距离为标准球7球心至后组件回转体4回转轴线垂直距离的倍；
步骤2、分别调整三维移动微调机构A8、三维移动微调机构B9，使非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体4回转轴线且垂直与前组件回转体2回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体4回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体4回转轴线垂直；步骤3、将检测装置调整到检测状态1 ①分别微调三维移动微调机构A8、三维移动微调机构B9，使非接触位移传感器a 和非接触位移传感器b的测头对准标准球7球体的最大半径，且仍使非接触位移传感器a 和非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体4回转轴线且垂直与前组件回转体 2回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体4回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体4回转轴线垂直；②读取状态1下的非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测量值δ al和 δω；步骤4、将检测装置调整到检测状态2 ①将后组件回转体4回转180°，将前组件回转体2回转90°，设转动后的状态为检测状态2 ；②读取检测状态2下的非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测量值δ a2 和 Sb2 ；步骤5、将检测状态1和检测状态2检测值进行比较①计算检测状态1和检测状态2下非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的读数差，Aa= 5a2-5ai;Ab= 5b2-5bl；②比较Aa* Ab，当Aa* Ab差值大于预设值时(根据技术要求设定，比如千分之一、万分之一或其它级别的数值)，微调三维移动微调机构C5，微小改变标准球7的球心位置，且仍使标准球7球心在包含后组件回转体4回转轴线且垂直于前组件回转体2回转轴线的平面内；③将后组件回转体4回转180°，将前组件回转体2回转-90°，返回检测状态1 ；步骤6、重复步骤3-步骤5，直至达到Aa Ab为止(Aa与Ab的差值达到设定数值误差范围以内)；步骤7、按照下式得到正交、交点内置的回转轴轴线共面度偏差e e = (Aa+Ab)/2。图6是本发明方法的前回转轴组件为摆动进给部件、后回转轴组件为电主轴的钳式交点内置的正交轴结构示意图；图7是本发明方法的前回转轴组件为摆动进给部件、后回转轴组件为进给转台的钳式交点内置正交轴(即双回摆式交点内置正交轴)结构示意图。本发明的交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置能够适用于悬臂式交点内置的正交轴，如数控机床A轴(或B轴)与悬臂式电主轴，及相应的机器人腕关节；钳式交点内置的正交轴如数控机床钳式A轴(或B轴)与电主轴，及相应的机器人腕关节；双回摆式交点内置的正交轴，如数控机床A轴(或B轴)和C轴组成的双回摆式转台，及相应的机器人腕关节。
权利要求
1.一种交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，其特征在于在前组件壳体(1)上同轴连接有前组件回转体O)，前组件回转体( 与后组件壳体(3)固定连接，后组件壳体 (3)内安装有后组件回转体G)，后组件回转体的端头安装有三维移动微调机构C (5)，三维移动微调机构C 通过水平设置的连接杆(6)与标准球(7)连接，标准球(7)的水平方向对应设置有三维移动微调机构B (9)，三维移动微调机构B (9)端头设置有非接触位移传感器b，标准球(7)的下方竖直设置有对应的三维移动微调机构A (8)，三维移动微调机构A (8)的端头设置有非接触位移传感器a，三维移动微调机构A (8)和三维移动微调机构B (9)固定安装在相对前组件壳体(1)不动的固定支架上。
2.根据权利要求1所述的交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，其特征在于所述的标准球(7)的球心和非接触位移传感器a、非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体(4)回转轴线且垂直于前组件回转体O)回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体回转轴线垂直，非接触位移传感器a、非接触位移传感器b的测头对准标准球(7)球体的最大半径。
3.一种利用权利要求1所述的装置进行交点内置正交回转轴轴线共面度精度检测方法，其特征在于，按照以下步骤实施步骤1、调整三维移动微调机构C(5)，使标准球(7)球心在包含后组件回转体(4)回转轴线且垂直于前组件回转体O)回转轴线的平面内，并使标准球(7)球心至前组件回转体(2)回转轴线的垂直距离为标准球(7)球心至后组件回转体回转轴线垂直距离的倍；步骤2、分别调整三维移动微调机构A (8)、三维移动微调机构B (9)，使非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体(4)回转轴线且垂直与前组件回转体O)回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体回转轴线垂直；步骤3、将检测装置调整到检测状态1 ①分别微调三维移动微调机构A(8)、三维移动微调机构B (9)，使非接触位移传感器a 和非接触位移传感器b的测头对准标准球(7)球体的最大半径，且仍使非接触位移传感器 a和非接触位移传感器b的测头布置在包含后组件回转体回转轴线且垂直与前组件回转体O)回转轴线的平面内，非接触位移传感器a的测头与后组件回转体回转轴线平行，非接触位移传感器b的测头与后组件回转体回转轴线垂直；②读取检测状态1下的非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测量值δal和 δω;步骤4、将检测装置调整到检测状态2 ①将后组件回转体⑷回转180°，将前组件回转体(2)回转90°，转动后转变为检测状态2 ；②读取检测状态2下的非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的测量值δa2和5b2 ；步骤5、将检测状态1和检测状态2检测值进行比较①计算检测状态1和检测状态2下非接触位移传感器a和非接触位移传感器b的读数差，Aa = Sa2-Sal ;Ab = δ b2- δ bl ；②比较Aa*Ab，当Aa* Ab的差值大于预设值时，微调三维移动微调机构C (5)，微小改变标准球(7)的球心位置，且仍使标准球(7)球心在包含后组件回转体回转轴线且垂直于前组件回转体O)回转轴线的平面内；③将后组件回转体(4)回转180°，将前组件回转体O)回转-90°，返回状态1； 步骤6、重复步骤3-步骤5，直至达到Aa Ab为止；步骤7、按照下式得到正交、交点内置的回转轴轴线共面度偏差e e = (Aa+Ab)/2。
全文摘要
本发明公开了一种交点内置正交回转轴轴线共面度检测装置，在前组件壳体上同轴连接有前组件回转体，前组件回转体与后组件壳体固定连接，后组件壳体内安装有后组件回转体，后组件回转体的端头安装有三维移动微调机构C，三维移动微调机构C通过连接杆与标准球连接，标准球的水平方向及下方竖直方向各设置有三维移动微调机构，该两个三维移动微调机构上各安装有一非接触位移传感器。本发明还公开了利用上述的装置进行交点内置正交回转轴轴线共面度精度检测方法，特点是检测高精度高，适用于悬臂式交点内置的正交轴、钳式交点内置的正交轴的共面度检测。
文档编号G01B21/00GK102384732SQ201110335590
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者刘同庆, 吕维刚, 张龙飞, 杨新刚, 黄玉美 申请人:西安理工大学