CN1045559C - 工业模件和用于测量与上述模件相关的运动的装置 - Google Patents

Abstract

该工业模件包括一个载有一个重负载框架(2)的基座(1)，该框架装配有具有与其上安装了一个测量头(7)的可移动平板(5)的连接装置(4)的直线位移驱动器(3)。安装在测量框架(8)上的干涉仪(9)被安置在每一个驱动器(3)的一侧并且与反射器(10)在光学上相连接。测量框架(8)通过抗振固定件(11)被装在基座(1)上。干涉仪(9)被通过套管(12)在光学上连接到反射器(10)。一个夹持装置(13)包括一个夹具(14)和一个支柱(15)。一个被加工工件(16)被装入安装在支柱(15)上的夹具(14)中。夹具(14)有一组精密基准测量平面(18、19、20)。一个用于确定一个工具(21)的工作表面的装置(22)被安装在支柱(15)上。本发明由于融合了一个单***、一个多工序自动数字控制机床和一个坐标测量装置而便于零件的精密机加工。

Description

工业模件和用于测量与上述模件相关的运动的装置

本发明涉及通用工程，并且除了用于目标的多坐标精密尺寸测量或对可动目标运动的这种测量以外，当把一多工序自动数字控制机床和一坐标测量装置的功能融进一个单加工单元时，还可以在精密加工有复杂形状表面的零件中得到应用。

已知一种现有技术的机械加工装置包括一个基座、一个带一个工具头的枢轴板、六个末端与基座和枢轴板铰接的直线位移驱动装置，和一个用于在那里夹持工件的旋转台(参阅苏联发明者证书#1,296,401,IPC B25J11/00)。

然而，由于上述装置没有一个测量***，它不能提供获得一个可靠的关于由装置的工作空间中的工件呈现的位置的信息，而该信息对工件的精密加工是必要的。这一缺点当加工应该在加工中被重新安置到另一位置的复杂形状工件时是尤其现实的。

已知另一种对一个可动操作元件的现有技术的***(参阅苏联发明者证书#1,224,137)包括一个基座、一个通过带连接装置的驱动器与基座相连的可动元件，和一个位移测量装置。

在该装置中固有的一个缺点属于由于位移是被对照连接装置的长度测量的这样的事实而导致的对可动元件定位的错误，在操作过程中连接装置占据电源负载。而且，所用的测量装置忽略了由作用在可动元件及连接装置上的动载荷和扭矩产生的连接装置的线性变形和扭转应变。

在技术实质上最接近所建议采用的工业模件的是一种装置的可动操作元件的精确***，上述***包括一个重负载框架，其上安装了直线位移驱动器，驱动器以连接装置与一个用于安置一个操作***的可动元件铰接，一个带有测量可动元件位移的装置并且通过一个抗振固定件与基座相连的测量框架，以及一个用于把被加工工件夹在基座上的夹具(参阅苏联发明者证书#2,008,197)。

在上述装置中设置一个测量***使得监测可动元件(工作台)的空间位置成为可能，由此，这一装置能融合多工序自动数字控制机床和坐标测量装置的功能。

然而，即便是上面讨论的装置也因为缺少精确安装点而不能精确控制并监测被加工工件的位置，安装点的位置会影响精确监控。那就是为什么被加工工件的精确定位和重定位提出了一些技术困难。这一缺点在精加工复杂形状表面时是尤其现实的，它会影响加工精度。

已知另一种测量可动元件位移的装置(参阅苏联发明者证书#1,291,821,IPC G05B 5/20)包括一个带有一个放在直线运动物件上面的反射器的干涉仪。上述装置的一个固有缺点在于其实际应用受限制，因为它只能测量工件的二维直线运动。

最接近所建议采用的用于测量可动物件位移的装置是一个用于测量物件的三坐标运动的装置，包括一个基座、一个与基座固定在一起的基座架、至少三个与基座架铰接连接的干涉仪、一个带有一个测量笔尖并被安装在基座上的可沿三坐标轴方向运动的工作台，以及与干涉仪相同数目的反射器，上述反射器被可移动地安装于工作台的平面内并且与对应的干涉仪有光学上的联系，还有与反射器数目相同的伸缩套管，它们被以下述方式置于对应的反射器和干涉仪之间：套管的一端与对应的反射器固定在一起，另一端与对应的干涉仪固定在一起。基座架由充满吸振介质的管子制成(参阅苏联发明者证书#1,427,170,IPC G01B 11/03)。

该装置固有的一个缺点在于其应用被限制于对物件的可动元件沿三直线坐标进行平面平行运动的测量。在这种运动的情况下相对于坐标轴运动的物件的角位置保持不变而相对于光学轴的反射器和干涉仪的相互的角方位不受影响，这在采用三棱镜做为反射器时是确保装置可靠操作的主要因素之一。

通过提供一组发明来实现的本发明的主要目的包括在机加工过程中根据多坐标精确测量来精加工有复杂形状表面的工件。

实现上述目的是基于这一事实：在一个工业模件中，包括一个固定在一个基座上的重负载框架、沿六个独立轴的被设置了与其上安放操作***的可动元件铰接的连接装置的六个直线位移驱动器、一个用于测量可动元件位移的装置，上述装置被设置了一个通过一个抗振固定件与基座机械连接的测量***，该基座为重负载框架的基座所共有、一个用于将被加工和(或)被测工件夹持在基座上的夹持装置，上述夹持装置表现为一个固定在基座上的沿直线和沿角度运动并且具有一组其目的在于与测量***互相配合并且明确确定带有被加工工件的夹具的空间位置的基准测量表面的夹具。

为了确定工具切削边缘的形状并且考虑到一个操作单元的错误(包括测量轴)，用于夹持被加工工件的夹具被设置了一个工具工作表面位置加工传感器。

夹具的基准测量表面可能表现为一个球面和一个被与夹具的一个任意轴同轴安置的圆柱面以及一个与上述轴垂直的平面。进一步谈，夹具的基准测量表面可以表现为三个球心不在同一条直线上的球面。另外，夹具的基准测量表面还可以表现为三个相交平面。

用于夹持被加工工件的夹持装置表现为一个安装在基座上的沿直线和沿角度运动的夹具以及一组目的在于由于与该装置的测量***相配合而可以确定带有被加工工件的夹具的空间位置的基准测量表面，提供该夹持装置使得工件所有表面上的精加工以及在工件的定位及重定位过程中精确确定被加工工件的坐标，以及可以增加上述表面的加工精度和加工性能的加工监测成为可能。

达到上述目的也是因为设置了一个用于测量工业模件的可动元件位移的装置。为此，在上述用于测量上述可动元件位移的装置中，包括一个基座、一个与上述基座连接的测量框架、被成对安装在上述框架顶端并通过一个套管装置与其上安装一个操作***的可动元件连接起来的干涉仪，与由上述干涉仪产生的信号的反射器一样，表现为一个接触笔尖，同样被安置在可动元件上，上述反射器在数目上与干涉仪相同并且每一个都与干涉仪中的一个通过套管在光学上连接，上述套管装置具有相同结构其内部部件上有导轨；该装置还包括适应于与上述导轨配合的滚动接触轴承，它们在套管装置的外部部件被以这样的方式安置至少两排：其中一排的每一个轴承对应另一排中的在直径方向上对称的轴承，反射器通过一个铰接接头与可动元件(被加工工件)相连。

其中一排的轴承可以被设置在外部部件上的该装置的内部部件从该处露出的一端，而另一排中的轴承可以被安置在上述装置的外部部件的中间部分。

另外，导轨在套管装置部件上的两端处均可设置成长度对应于所涉及的部件的移动长度，一个部件末端的导轨与另一端的导轨在直径方向上对称。

可能存在导轨的各种变化，例如，以板或槽的形式。

下面本发明在附图中被阐明，在它的全部图中相同的参考号数表示相同的部件：

图1是一个工业模件的全视图，其中：

1-基座；

2-重负载框架；

3-直线位移驱动器；

4-连接装置；

5-用于安放操作单元的平板形式的可动元件；

6-测量轴；

7-测量头；

8-测量框架；

9-干涉仪(用于测量可动元件位移的装置的测量仪器)；

10-反射器；

11-抗振固定件；

12-套管装置；

13-用于夹持被加工工件的夹持装置；

14-夹具；

15-支柱；

16-被加工工件；

17-带一个护圈的铰接头；

18-球体；

19-圆柱体；

20-平坦表面；

21-切削工具；

22-用于确定测量头和切削工具的工作表面的装置；

23-具有两个运动自由度的铰接头；

24-球铰；

图2是用于测量运动的表现为一个套管装置的装置的不完全图，其中：

25、26、27-套管***12的三个表现为管子的三个部件；

28-滚动轴承；

29-入射照射光束；

30-反射照射光束；

图3是套管装置的中间部分的一个视图，其中：

31-导轨；

图5是沿图1中B-B线截取的剖面图表示相似的导轨；而

图6表示一个带有槽形导轨的套管部件的一个实施例。

这里建议采用的工业模件(图1)包括一个带有一个在其上铰接了直线位移驱动器3的重负载框架2的基座1，上述驱动器通过连接装置4与一个其上安装了一个测量头7的一个可动平板5铰接。

与反射器10在光学上连接的干涉仪9与每一个驱动器3一侧上的测量框架铰接。测量框架8通过一个抗振固定件11被安装在基座1上。干涉仪9和反射器10之间的光学耦合通过套管12实现。驱动器3和干涉仪9被铰接到平板5上。夹持装置13包括一个夹具14和一个支柱15。

被加工工件16被放在通过一个有两个自由度的铰接头17被安装在支柱15上的夹具14的适当位置。可能有另一种夹具与支柱的连接方法，例如，一个单自由度铰接头，或者与夹具14的直线运动可能性相结合，或者两者均有的其它连接。

夹具14有一组精密基准测量表面18、19和20，即，球面18、圆柱面19和平坦表面20。在这种特殊实施例中夹具14是拉长的形状，工件16被夹在一端，而球体18在另一端。圆柱体19被安置在夹持工件16的一侧并且尽可能地远离球体18。球体18的中心和圆柱体20的轴被排列在夹具17绕铰接头17的旋转轴上。为了更方便地与测量***配合平坦表面20可以有4个面与夹具17绕铰接头17的旋转轴平行。基准测量表面的一些其它实施例也是可能的，例如，球心不在同一直线上的三个球面，或者一个精密管子或其它多面体。基准测量表面要适合于配合用作表面位置传感器并装在平板5上的测量头7。在机加工时传感器7被移走而切削工具21被放置在该处。

用于确定切削工具21工作表面的装置22被固定在支柱15上。被用作上述装置的可以是已知结构的测量头。测量装置(图2)包括其上固定着与通过球铰24安装在可动元件5上的反射器10在光学上耦合的干涉仪的框架8。干涉仪9通过用作在上述干涉仪和上述反射器之间建立光学耦合的套管装置12与反射器10在操作上相连接。

在这一特殊实施例中套管装置12包括表现为，例如，管子的三个部件25、26和27，尽管这些部件的个数可能是其它数目。外部部件25被与干涉仪9，内部部件27与反射器10刚性连接。部件25、26和27通过滚动轴承28互相配合。

轴承28被装入部件25和26的内部并且成两排被安置在每一个上述部件中，以每排3个轴承的方式使得一排轴承沿圆周相对于另一排轴承移位180°。

部件26和27的每一个都有适合于配合轴承28的6个导轨31。导轨31的长度等于部件26和27移动的长度并且以和与此配合的轴承28相同的方式沿圆周放置，而与这一排的轴承配合的导轨被放置在部件这一端，与另一排轴承配合的导轨被安置在部件的相反一端。导轨31可以表现为，例如，平板状(图4、5)或槽状(图6)。

这里建议采用的工业模件操作如下所述。

带有铰接头17的支柱15和夹具14固定在基座1上。然后被加工工件16及基准测量表面18、19和20被装入夹具14，用于确定工作表面的装置22被装在支柱15上，借助于它被加工工件16被移至需要加工的位置，接着铰接头17被保持至一位置，以防止被加工工件16相对于基座1移动。

然后被加工工件16被定位。测量头被安装到可动元件5上，而后者借助驱动器3一直在前面，直到测量头7与基准测量表面18、19和20相配合。这样，当在任意选定的点接触到基准测量表面18、19和20时一组球体18的坐标、另一组圆柱19的坐标，以及再一组平坦表面20的坐标就被建立起来。随后，球18的中心、圆柱19的轴的单位矢量，和平坦表面20的法向矢量被计算出来，而且由所得到的数据出发，一个被加工工件的坐标系被绘制出来，即旋转和位移矢量矩阵被确定。

接着，通过用测量头7和切削工具21连续跟踪用于确定工作表面的装置22得到一组测量头7和切削工具21的坐标。正是靠着上述一组坐标测量头7和切削工具21之间的耦合被确定，它既表现为对切削工具21的实际直径的校正，也表现为工件坐标***的位移矢量。这就结束了工件定位过程。

然后，当考虑到工件16呈现的位置的全部数据时，工件是根据一个预先设定的用于机加工的程序从它容易接近的一侧被加工的。要进一步加工工件的另一侧铰接头17被释放并且工件16与夹具14一起被沿着预定的角度旋转，相应地，基准测量表面18、19和20在被刚性地固定于它们所在位置。之后，铰接头17又被定位。然后重复用测量头和切削工具21定位工件16，而机加工过程重新开始。这样，被加工工件16被以完全加工整个工件16所需的角度旋转很多次。由于工件16在直到其全部完成的整个机加工时间内明显保持与基准测量表面18、19和20刚性耦合，所以，工件坐标***在被加工工件16的任何转动情况下都能被唯一确定。考虑到这样的事实即用作基准测量表面18、19和20的是参考元件，即具有最大形状误差为0.0001毫米的特征的球面18、圆柱面19和平坦表面20，因此被加工工件16的坐标系的可再现性或(可重复性)在其反复定位中是足够高的。不论什么时候，这一监测由于工具损坏或它的切削边缘变钝而变得必要时，用于确定工作表面的装置22的永久使用都会产生可能的对切削工件21或它的替换物的加工监测。考虑这一目的，机加工程序的执行中止而跟踪用于确定工作表面的装置22并建立一组坐标的程序被启动，借此，切削工具21的实际直径被确定。然后，机加工程序被校正，以得出实际的工具直径和形状。并且机加工过程重新开始。

该测量装置功能如下所述。

带有反射器10的可动元件5的位移导致干涉仪9绕铰接头23的转轴旋转，这是由于反射器10与干涉仪9之间的操作连接由套管装置12实现，该装置的元件25由于与干涉仪9刚性连接而跟随干涉仪9进行角运动。

套管装置12的部件26通过其导轨31与部件25的轴承28相配合，因此相对于上述部件沿直线移动，同时被防止绕它的轴转动。部件27运动类似部件26。这是因为部件27被与反射器10刚性耦联，而后者被保持不绕其光学轴旋转，因此反射器10相对于入射照射光束29的重定位就被实现了，从而保持了反射光束30的方位。

可动元件5的任何位移都会改变反射器10和干涉仪9之间的距离，每一个干涉仪都可以通过把一个光学信号转换成一个电信号，测出与其相连的反射器相对于铰接头23上的干涉仪9的旋转轴的交叉点的任何直线的距离。这样，被测的反射器的位移就使得确定相对于可动元件的位置以及设置在其上的任何工作部件的坐标成为可能。

Claims (10)

1．一个工业模件，包括一个带有铰接在其上的并且被提供了与其上安装了一个操作***的一个可动元件铰接的连接装置的直线位移驱动器的安装在基座上的重负载框架，一个具有通过一个抗振固定件与基座在操作上连接的测量***，用于测量可动元件位移的装置，以及一个用来将被加工元件夹持在基座上的夹持装置，该模件的特征在于用于夹持被加工元件的上述夹持装置是一个固定在基座上的可沿直线和沿角度运动并且具有适应于与位移测量***相配合并且适应于明确确定带有被加工工件的夹具的空间位置的基准测量表面的夹具。

2．在权利要求1中陈述的一个模件，其特征在于上述夹具被设置了一个操作***工作表面位置的加工传感器。

3．在权利要求1或2中陈述的一个模件，其特征在于上述基准测量面表现为被与模件纵轴同轴安置的一个球和一个圆柱，和一个被与上述轴垂直安装的平面。

4．在权利要求1或2中陈述的一个模件，其特征在于上述基准测量面表现为中心不在同一直线上的三个球。

5．在权利要求1或2中陈述的一个模件，其特征在于上述基准测量面表现为三个不平行平面。

6．一个用于测量可动元件位移的装置，包括一个基座、一个与上述基座互相连接的六面体的测量框架、被成对安置在上述框架的较短边上并且被通过一个套管装置与其上安装有一个操作***的可动元件连接起来的干涉仪是表一个接触笔尖并且与基座在操作上相连，接触笔尖与上述干涉仪产生的信号的反射器一样，也被安装在可动元件上，上述反射器在数目上与干涉仪相等，并且它们中的每一个都通过套管装置与干涉仪的一个在光学上相连，该测量装置的特征在于上述套管装置有相同的结构即在内部部件上有导轨；该装置还包括适用于与上述导轨相配合的轴承，它们被以在套管装置外部部件上至少两排的方式安置使得一排中的每一个轴承对应于另一排中在直径方向上对称的轴承；而反射器被通过一个铰接头与被加工工件相连。

7．在权利要求6中陈述的一个装置，其特征在于其中一排的轴承被设置在外部部件上的上述套管装置的内部部件从该处露出的一端，而另一排中的轴承被安置在上述装置的外部部件的中间部分。

8．在权利要求6或7中陈述的一个装置，其特征在于在套管装置部件上的两端处设置的导轨长度对应于所设计的部件的移动长度；一个部件末端的导轨与另一端的导轨在直径方向上对称。

9．在权利要求6、7或8中陈述的一个装置，其特征在于导轨表现为平板状。

10．在权利要求6,7,8或9中陈述的一个装置，其特征在于导轨表现为槽状。

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