CN111879270A - 一种旋转平台及基于其的球坐标测量机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转平台及基于其的球坐标测量机，包括旋转机构I、旋转机构II和夹具；所述旋转机构I包括支架，所述支架的两端对称设有转轴，支架通过两个转轴用于与工作平台转动连接；所述旋转机构II安装在旋转机构I上，旋转机构II采用回转工作台；所述夹具安装在回转工作台上，夹具用于装夹球壳类零件；所述支架的两端对称设置的转轴共轴线，支架以所述轴线为旋转轴转动运动，支架的旋转轴与回转工作台的旋转轴相互垂直。本发明利于实现球壳类零件测量精度高、效率高和范围广的测量目标。

Description

一种旋转平台及基于其的球坐标测量机

技术领域

本发明涉及三坐标测量机技术领域，具体涉及一种旋转平台及基于其的球坐标测量机。

背景技术

近年来，三坐标测量机在产品设计、模具装备、齿轮测量、汽模配件、电子电器等精密测量领域的应用越来越广泛。三坐标测量机是一种可作三个互相垂直方向移动的探测器，以接触或非接触等方式传送讯号，经数据处理器计算出工件的各点坐标，其功能包括尺寸精度测量、定位精度测量、几何精度测量及轮廓精度测量等。所有的几何量测量都可以归结为三维空间点的测量，因此精确地进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础，但是球壳类零件的测量一直存在测量范围小、精度低、效率低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了实现在每个测量点，测头与球壳类零件均为法向接触的目标，传统的三坐标测量机必须依靠三轴的直线运动和测头摆动，但受限于测头的移动范围，只能测量球体的顶盖部分，且测量效率较低。本发明提供了解决上述问题的一种旋转平台及基于其的球坐标测量机。

本发明通过下述技术方案实现：

一种旋转平台，包括旋转机构I、旋转机构II和夹具；所述旋转机构I包括支架，所述支架的两端对称设有转轴，支架通过两个转轴用于与三坐标测量仪的工作平台转动连接；所述旋转机构II安装在旋转机构I上，旋转机构II采用回转工作台；所述夹具安装在回转工作台上，夹具用于装夹球壳类零件；所述支架的两端对称设置的转轴共轴线，支架以所述轴线为旋转轴转动运动，支架的旋转轴与回转工作台的旋转轴相互垂直。

采用现有的三坐标测量仪对球壳类零件的测量一直存在测量范围小、精度低、效率低的问题，所以在测量球壳类零件时，采用测量点法向接触的方法以解决上述问题。要实现球壳类零件表面与测头在每个测量点均为法向接触，常规的做法是将三坐标测量仪本身的测头进行旋转结构优化，依靠三坐标的直线运动和测头摆动可以一定程度实现测量目标，但是在***只存在一条长误差链的情况下，会加大测量误差的累积导致测量精度的降低，只有通过优化三坐标直线运动机构、或测头摆动结构或通过优化计算方法等途径克服长链误差，但是效果并不显著。

基于该技术背景，本发明提供了一种优化的对球壳类零件的装夹旋转平台，实现球壳类零件两个自由度的旋转，从而代替测头的摆动。一方面，通过球壳类零件的二自由度旋转运动和测头三坐标直线运动联动，可以实现球面点的法向接触测量。在增加球面可测范围的同时，有效提高了测量效率。另一方面，本发明提供的摇篮式旋转平台，三坐标直线运动平台取消了测头的摆动自由度，消除了测头摆动带来的误差，将原测量机的单条长误差链分解成两条短误差链，提高误差的可控性，利于提高测量精度，从而利于实现球壳类零件测量精度高、效率高和范围广的测量目标。

进一步优选，所述夹具装夹的球壳类零件的球心位置，位于支架的旋转轴与回转工作台的旋转轴交点处。

将旋转机构I的旋转轴定义为旋转轴I，将回转工作平台的旋转轴定义为旋转轴II，本发明通过夹具将球壳类零件固定在旋转机构II上，旋转机构I带动旋转机构II、夹具和球壳类零件围绕旋转轴I转动，旋转机构II带动夹具和球壳类零件围绕旋转轴II转动，两套旋转机构可独立旋转动作；球壳类零件的球心与旋转轴I和旋转轴II的交点位置重合，方便控制球壳类零件的旋转位置以及方便定位坐标轴实现快速测量。

进一步优选，支架以所述轴线为旋转轴转动运动，转动角度范围为-90°～+90°。

若以夹具所在平面为水平面，支架以所述轴线为旋转轴转动运动，即旋转机构I带动球壳类零件上下翻转运动，方便沿球壳类零件纬向移动测量。

进一步优选，所述回转工作台的旋转角度范围为360°。

若以夹具所在平面为水平面，回转工作平台带动球壳类零件水平面内转动，方便沿球壳类零件径向移动测量。

进一步优选，所述转轴采用气浮转轴、和/所述回转工作台采用气浮直驱转台。

本发明提供的摇篮式旋转平台，三坐标直线运动平台取消了测头的摆动自由度，消除了测头摆动带来的误差，将原测量机的单条长误差链分解成两条短误差链，那么为了减小两自由度旋转误差，本发明在旋转装置中引入空气静压轴承，可提供极高的径向和轴向旋转精度。由于没有机械接触，空气静压轴承的磨损程度降到了最低，从而确保测量精度始终保持稳定，其粘滞阻力较低，允许较高的速度，并能同时保持较低的振动水平，提高检测效率的同时也保证了精度。本发明在设计球壳类零件装夹旋转时均采用超精密气体轴承，以达成设计要求。

进一步优选，所述气浮转轴的同心度误差为：径向≤50nm，轴向≤20nm；所述气浮直驱转台回转精度为50nm～100nm。

为了最大化降低二自由度旋转误差，本发明依据实际试验，优选气浮转轴的同心度误差为：径向≤50nm，轴向≤20nm；所述气浮直驱转台回转精度为50nm～100nm。

进一步优选，所述夹具采用真空吸盘式工装，夹具的真空吸盘用于通过负压吸附固定球壳类零件。

对于球壳类零部件的装夹，传统机械卡盘式夹具造成的宏观变形较大，这会一定程度上影响测量精度，所以在本发明提供的摇篮式旋转平台上采用真空吸盘式工装对球壳类零件进行装夹，确保宏观变形减小的同时可对球壳类零件的整个表面进行测量。

进一步优选，所述支架包括底板和两个侧板，底板和两个侧板连接呈U型结构；旋转机构II安装在底板上、且位于两个侧板之间；转轴的一端安装在侧板外壁上、另一端用于与工作平台转动连接。

本发明采用U型结构作为旋转机构I的支架，两个转轴固定在U型结构侧壁上，构成对称的摇篮结构，形成摇篮式旋转平台。旋转机构II安装在U型结构内，结构简单、稳固。

一种球坐标测量机，包括三坐标测量仪和上述的一种旋转平台。

本发明基于传统的三坐标测量仪引入上述的旋转平台，从而代替测头的摆动，通过球壳类零件的二自由度旋转运动和测头三坐标直线运动联动，实现球壳类零件测量精度高、效率。

进一步优选，所述三坐标测量仪包括工作平台、三坐标直线运动平台和测头；所述工作平台为隔振平台；所述三坐标直线运动平台和旋转机构I均安装在工作平台上；三坐标直线运动平台包括X向直线运动导轨、Y向直线运动导轨和Z向直线导轨，所述X向直线运动导轨、Y向直线运动导轨和Z向直线导轨耦合成三维直线运动机构；所述测头安装在Z向直线导轨的自由端，用于测量球壳类零件。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1.针对精密球壳零件的测量，相比于传统的三坐标测量仪，本发明提供了一种带有超精密气浮转轴的结构设计，在隔振平台上方设有旋转平台，实现零件的二自由度旋转，并与测头的三自由度直线运动耦合，可以实现球面点的法向接触测量。在增加球面可测范围的同时，有效提高了测量效率。

2.本发明在设计旋转平台时选用超精密气体轴承，并取消了测头的摆动自由度，一方面消除了测头摆动带来的误差，另一方面将原测量机的单条长误差链分解成两条短误差链。同时相比于传统三坐标测量机测头的机械摆动，旋转主轴采用高精度气浮轴，减小了检测过程中的运动误差，可以显著提高测量机的测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的球坐标测量机结构示意图；

图2为本发明的摇篮式旋转平台立体结构示意图；

图3为本发明的摇篮式旋转平台正视图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-旋转机构I，11-支架，12-转轴，2-旋转机构II，3-夹具，4-工作平台，5-三坐标直线运动平台，51-X向直线运动导轨，52-Y向直线运动导轨，53-Z向直线导轨，6-测头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种旋转平台，包括旋转机构I1、旋转机构II2和夹具3，旋转机构I1和旋转机构II2为两套独立的旋转驱动装置；旋转机构I1包括支架11，支架11的两端各设有一个转轴12，两个转轴12相对于支架11对称分布，转轴12的一端与支架11端部固定连接、另一端与工作平台4转动连接；旋转机构II2采用回转工作台，回转工作平台的底端安装在旋转机构I1的支架11上、顶端设有夹具3；夹具3用于装夹球壳类零件。

支架11的两端对称设置的两个转轴12共轴线，支架11以所述轴线为旋转轴转动运动，支架11的旋转轴与回转工作台的旋转轴相互垂直。

将旋转机构I的旋转轴定义为旋转轴I，将回转工作平台的旋转轴定义为旋转轴II。旋转机构II2可以在驱动球壳类零件夹具等绕旋转轴II转动的同时利用旋转机构I绕旋转轴I转动，两套旋转驱动装置装置可独立运行，也可同时运行，这样可以很大程度上增加测量点的调整速度，提高测量效率。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，所述夹具3装夹的球壳类零件的球心位置，位于支架11的旋转轴与回转工作台的旋转轴交点处。

支架11以所述轴线为旋转轴转动运动，转动角度范围为-90°～+90°；回转工作台的旋转角度范围为360°。转轴12采用气浮转轴，气浮转轴的同心度误差为：径向50nm，轴向20nm；回转工作台采用气浮直驱转台，气浮直驱转台回转精度为50nm～100nm，设有高精度的旋转编码器作为位置控制保障，安装在旋转机构2的转台中心位置，足以满足测量机的高精度需求。夹具3采用真空吸盘式工装，在夹具3的真空吸盘与球壳类零件表面之间形成密封容积内，通过真空源抽出一定量的气体产生真空负压，进而产生吸力固定球壳类零件，减小装夹变形误差，增大零件测量面积。

作为对该实施例的进一步优化，支架11包括底板和两个侧板，底板和两个侧板连接呈对称的U型结构；旋转机构II2安装在底板上、且位于两个侧板之间；转轴12的一端安装在侧板外壁上、另一端用于与工作平台4转动连接。

实施例3

本实施例提供了一种球坐标测量机，包括三坐标测量仪和实施例2提供的一种旋转平台，即在传统的三坐标测量仪上加入了带有超精密气浮转轴的摇篮式旋转平台，具有两个旋转自由度。

三坐标测量仪包括工作平台4、三坐标直线运动平台5和测头6。工作平台4为隔振平台，隔振平台通过橡胶垫、空气弹簧等结构进行振动隔离，并设有凹台用以固定旋转机构I1，隔振平台是整个球坐标测量机的基座，用以承载旋转平台和三坐标直线移动平台，并提供测量工作区域的基本精度。三坐标直线运动平台5和旋转机构I1均安装在工作平台4上，其中，工作平台4上开设有凹槽，将支架11置于凹槽内，支架11的两侧壁通过转轴12与凹槽内壁转动连接，支架11的底板与凹槽底部存在间隙，允许支架11转动运动；三坐标直线运动平台5包括X向直线运动导轨51、Y向直线运动导轨52和Z向直线导轨53，X向直线运动导轨51、Y向直线运动导轨52和Z向直线导轨53耦合成三维直线运动机构，提供测头的三坐标移动功能。具体地，Y向直线运动导轨52的固定端安装在隔振平台上，X向直线运动导轨51的固定端安装在Y向直线运动导轨52的移动滑块上，Z向直线导轨53的固定端安装在X向直线运动导轨51的移动滑块上，Z向直线导轨53的移动滑块上安装固定测头6，测头6用于测量球壳类零件。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转平台，其特征在于，包括旋转机构I(1)、旋转机构II(2)和夹具(3)；

所述旋转机构I(1)包括支架(11)，所述支架(11)的两端对称设有转轴(12)，支架(11)通过两个转轴(12)用于与三坐标测量仪的工作平台(4)转动连接；

所述旋转机构II(2)安装在旋转机构I(1)上，旋转机构II(2)采用回转工作台；

所述夹具(3)安装在回转工作台上，夹具(3)用于装夹球壳类零件；

所述支架(11)的两端对称设置的转轴(12)共轴线，支架(11)以所述轴线为旋转轴转动运动，支架(11)的旋转轴与回转工作台的旋转轴相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种旋转平台，其特征在于，所述夹具(3)装夹的球壳类零件的球心位置，位于支架(11)的旋转轴与回转工作台的旋转轴交点处。

3.根据权利要求1所述的一种旋转平台，其特征在于，支架(11)以所述轴线为旋转轴转动运动，转动角度范围为-90°～+90°。

4.根据权利要求1所述的一种旋转平台，其特征在于，所述回转工作台的旋转角度范围为360°。

5.根据权利要求1所述的一种旋转平台，其特征在于，所述转轴(12)采用气浮转轴、和/所述回转工作台采用气浮直驱转台。

6.根据权利要求5所述的一种旋转平台，其特征在于，所述气浮直驱转台回转精度为50nm～100nm。

7.根据权利要求1所述的一种旋转平台，其特征在于，所述夹具(3)采用真空吸盘式工装，夹具(3)的真空吸盘用于通过负压吸附固定球壳类零件。

8.根据权利要求1所述的一种旋转平台，其特征在于，所述支架(11)包括底板和两个侧板，底板和两个侧板连接呈U型结构；旋转机构II(2)安装在底板上、且位于两个侧板之间；转轴(12)的一端安装在侧板外壁上、另一端用于与工作平台(4)转动连接。

9.一种球坐标测量机，其特征在于，包括三坐标测量仪和权利要求1至8任一项所述的一种旋转平台。

10.根据权利要求9所述的一种球坐标测量机，其特征在于，所述三坐标测量仪包括工作平台(4)、三坐标直线运动平台(5)和测头(6)；所述工作平台(4)为隔振平台；所述三坐标直线运动平台(5)和旋转机构I(1)均安装在工作平台(4)上；三坐标直线运动平台(5)包括X向直线运动导轨(51)、Y向直线运动导轨(52)和Z向直线导轨(53)，所述X向直线运动导轨(51)、Y向直线运动导轨(52)和Z向直线导轨(53)耦合成三维直线运动机构；所述测头(6)安装在Z向直线导轨(53)的自由端，用于测量球壳类零件。

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