CN221159617U - 一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机床非接触式测量技术领域，更具体的说是一种基于显微视觉的铣床平面运动轨迹测量组件，包括测量头和测量标靶，测量头部分采用螺纹连接杆与主轴刀柄夹紧的安装方式，测量标靶采用一对螺纹孔与机床工作台的T形槽连接，能够满足大部分铣床及加工中心的安装。通过测量头中的工业相机拍摄测量标靶上的视觉编码图案，实现铣床/加工中心的平面运动轨迹非接触测量。本申请采用定位销和孔的配合更改光刻板的朝向，以及和90偏转镜头附件，实现快装快换为XOZ平面、YOZ平面轨迹测量模式。

Description

一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件

技术领域

本实用新型涉及定位编码的测量组件技术领域，更具体的说是一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件。

背景技术

目前商业化的机床轨迹测量和精度评价仪器主要有球杆仪、正交平面光栅、激光干涉仪和激光跟踪仪。传统的球杆仪能够快速测量机床运动的圆轨迹，并分析机床精度及潜在故障，其缺点是属于非接触式测量，易磨损，无法测量任意轨迹。正交平面光栅能够高精度动态测量机床任意轨迹，其缺点是价格昂贵、调整耗时、安装距离极小，容易发生操作不当的情况导致损坏设备，难以测量YOZ平面和XOZ平面轨迹。激光干涉仪能够远距离高精度测量机床误差，缺点是单自由度、价格昂贵、调整耗时。激光跟踪仪能够远距离测量机床空间轨迹，缺点是价格昂贵、精度较低。而基于视觉的机床轨迹测量方法具有非接触式测量、多自由度、成本低等优点，具有较大的应用潜力。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，面向数控铣床及加工中心的平面轨迹误差非接触式测量，解决已有视觉测量方法的安装调整复杂耗时、通用性差、难以测量YOZ平面和XOZ平面的问题。

上述目的通过以下技术方案来实现：

一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，包括连接件，连接件的下端固接有旋转平台，旋转平台的下端固接有相机座，相机座上固接有相机，相机的下端固接有镜头，镜头由上至下穿过相机座，镜头的下部固接有偏转镜头，用于将相机的成像面由水平面调节至垂直面。

偏转镜头拆卸后使用相机成像时，使测量标靶的刻度范围处于XOY平面上，镜头的视野范围能够在测量标靶的刻度范围内；

偏转镜头安装在镜头上时，使测量标靶的刻度范围处于YOZ平面上，镜头的视野范围能够在测量标靶的刻度范围内。

连接件通过多轴机床驱动实现沿纵向移动，测量标靶通过多轴机床驱动实现在水平面上移动。

连接件包括连接杆，以及通过螺纹连接在连接杆下端的连接法兰，连接法兰与旋转平台固接。

相机座包括与旋转平台下端固接的连接壳，以及固接在连接壳下端的连接板，相机固接在连接板上。

连接板上固接有罩在镜头和偏转镜头外周的上保护壳，上保护壳的下端可拆卸固接有罩在偏转镜头下方的下保护壳，下保护壳为透明材质。

所述测量标靶包括安装基座，安装基座上端设有多个定位孔Ⅰ，全部定位孔Ⅰ的中心连线为直角折线，定位孔Ⅰ内插固有定位销，安装基座上端设置有标靶座，标靶座的侧壁面与下端面上设有工艺孔,标靶座通过工艺孔插接在定位销上，安装基座与标靶座之间嵌入有光源，标靶座的上端设置有光刻板，光源在光刻板上的发光范围不小于光刻板的图像区域，光刻板的上端设置有压板，压板可拆卸固接在标靶座上。

在直角直线上一个方向上的定位销至少包括一个菱形销和一个圆柱销。

光刻板自身上刻有用于定位的编码图案。

光刻板为光学玻璃且自身上端面镀有金属膜。

本实用新型一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件相对于现有技术的有益效果为：

基于视觉的方法相机、镜头及工装Z向的尺寸过长，会使安装尺寸出现干涉，难以适用大多数数控铣床、加工中心的安装。本实用新型通过使用小型USB相机模组、短物距远心镜头，定制相机工装，大大降低了Z向距离，使安装更为紧凑，降低了细杆振动对测量误差的影响。

视觉方法需要搭建额外的辅助金属框架进行安装，导致安装调试复杂。同时，难以保证安装的通用性，无法满足大部分铣床及加工中心的安装。正交平面光栅的方法需要保证测量头与光栅平面在0.5±0.05mm的极小间距，调整耗时，且操作不当容易损坏。本申请的测量头与视觉标靶的安装距离约为65±0.35mm，安装调整方便，降低了安装时发生碰撞损毁的风险。本申请的测量头部分采用螺纹连接杆与主轴刀柄夹紧的安装方式，能够满足大部分铣床及加工中心的安装。连接了Z向旋转平台以方便调整相机视野方向。测量标靶采用一对螺纹孔与机床工作台的T形槽连接。

视觉方法和平面正交光栅方法需要使用者额外定制工装，来测量XOZ平面、YOZ平面轨迹，需要重新安装调整，难以做到快速安装测量。本申请采用定位销、孔和90偏转镜头配合，实现快装快换为XOZ平面、YOZ平面轨迹测量模式。

已有正交平面光栅的方法，制造困难，价格昂贵。本产品采用工业相机和光刻标靶为核心的计算机视觉技术，降低了机床轨迹测量成本。

附图说明

图1为测量头中去除下保护壳的结构示意图；

图2为连接壳的结构示意图；

图3为上保护壳和下保护壳的结构示意图；

图4为为测量头中去除保护壳和连接壳的结构示意图；

图5为旋转平台的结构示意图；

图6为测量标靶的结构示意图；

图7为测量标靶的***示意图；

图8为测量头不使用偏转镜头时和测量标靶在机床上的位置关系示意图。

图中：1、连接杆；2、连接法兰；3、旋转平台；4、连接壳；5、连接板；6、相机；7、镜头；8、偏转镜头；9、上保护壳；10、下保护壳；11、安装基座；12、定位销；13、光源；14、标靶座；15、光刻板；16、密封垫片；17压板。

具体实施方式

一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，包括测量头和测量标靶；

其中，测量头通过多轴机床驱动实现沿纵向移动，测量标靶通过多轴机床驱动实现在水平面上移动；

参考图1和4，测量头包括连接件、旋转平台3、相机座、相机6、镜头7、偏转镜头8和保护壳；

进一步描述的，连接件包括连接杆1，以及通过螺纹连接在连接杆1下端的连接法兰2，连接杆1由机床主轴的刀柄夹紧固定，实现Z轴方向的升降移动，连接法兰2的下端与旋转平台3的上端通过螺钉固接，旋转平台3的下端固接相机座，相机座包括与旋转平台3下端通过螺钉固接的连接壳4，以及通过螺钉固接在连接壳4下端的连接板5，而相机6通过螺钉固接在连接板5上；连接板5上设有圆孔，相机6的下端固接有镜头7，镜头7由上至下穿过圆孔，镜头7的下部固接有偏转镜头8，用于将相机6的成像面由水平面调节至垂直面；该种安装方式保证了相机6安装的稳定，能降低振动对相机6的影响。镜头7采用远心镜头，相机6采用工业相机，且二者通过螺纹连接；

更进一步的，保护壳包括在连接板5侧面上固接的罩在镜头7和偏转镜头8外周的上保护壳9，上保护壳9的下端通过摩擦力预紧插接有罩在偏转镜头8下方的下保护壳10，上保护壳9和下保护壳10为工程塑料，使用镜头7时取下。其功能是为了防止安装测试过程中操作不当撞击损坏镜头7。

更进一步的，其中的镜头采用的是短尺寸远心镜头，工业相机为板式USB3.0工业相机，以减少Z向的结构长度，降低振动的影响，减少机床Z向行程不满足的情况。

更进一步的，旋转平台3型号为东田精密RSP40。

其中，偏转镜头8拆卸后使用相机6成像时，调节测量标靶的刻度范围处于XOY平面上，镜头7的视野范围能够在测量标靶处于XOY平面上的刻度范围内；偏转镜头8安装在镜头7上时，因偏转镜头8为90°偏转镜头，能够使测量标靶的刻度范围处于YOZ平面上，镜头7的视野范围能够在测量标靶处于YOZ平面上的刻度范围内。

进一步描述的，结合图6和7，测量标靶是配合测量头使用的，具体的：

所述测量标靶包括安装基座11，安装基座11上端设有多个定位孔Ⅰ，全部定位孔Ⅰ的中心连线为直角折线，定位孔Ⅰ内插固有定位销12，在直角直线上的任一个方向上的定位销12至少包括一个菱形销和一个圆柱销，安装基座11上端设置有标靶座14，标靶座14的侧壁面与下端面上设有工艺孔14a,标靶座14通过工艺孔14a插接在定位销12上，此时标靶座14的光刻板15垂直，用于配合偏转镜头8使用，标靶座14下端面的工艺孔14a插接在定位销12上时，用于配合拆卸下偏转镜头8后的镜头7使用；安装基座11与标靶座14之间嵌入有光源13，光源13由下至上嵌入标靶座14，光源13通过螺钉固接在标靶座14上，标靶座14的上端设置有光刻板15，光源13在光刻板15上的发光范围不小于光刻板15的图像区域，光刻板15的上端设置有压板17，压板17通过沉头螺钉固接在标靶座14上，压板防止于最外侧，压板17在标靶座14连接施加压紧力，以固定光刻板15。其中，光刻板15上光刻有用于定位的编码图案。

更进一步的，标靶座14两侧开有凹槽，方便于使用者搬放。

更进一步的，同时，标靶座14上开有通槽，用于引出光源13的电源线，并且保持空气流通，以便于平面光源散热。

更进一步的，标靶座14上方加工有梯形台阶，光刻板15放置在最下端的台阶，增设硅胶垫片放置于第二层台阶，其功能是传递夹紧力防止损坏光刻板15，并且起到密封作用，防止切削液、机油、水等液体流入光刻板15的标靶内部，避免影响光刻板15的视觉成像。

更进一步的，在光源13外侧垫有硅胶垫片以保证密封性。

更进一步的，光刻板15为光学玻璃且自身上端面镀有金属膜。

其中，操作时，安装基座11通过T形螺母与机床工作台的T形槽固定。连接相机6的USB数据线至移动电脑，打开，光源13的电源。观察电脑上相机6的成像，调整机床的Z轴，镜头8的下端距离标靶距离约为65mm，将Z轴调为最小进给，移动机床Z轴，相机6成像清晰度不变时即完成对焦操作，之后机床Z轴位置不在变化。接着，在数控***输入程序进行XOY平面的运动，即可以用此设备测量主轴相对工作台的真实运动轨迹。

YOZ平面轨迹操作与XOY平面轨迹测量操作类似。不同之处在于，在镜头8下端加装偏转镜头8以实现YOZ平面成像。安装基座11在安装时通过千分表保证其边缘方向与机床运动的X方向、Y方向平行。将标靶座14侧壁面的工艺孔14a插接在定位销12上后，进行初步对焦操作，精调旋转平台3，对标靶中的编码进行检测，来判定偏转镜头光轴与标靶平面是否正交，正交即可开始后续轨迹测量。

Claims (10)

1.一种基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，包括连接件，连接件的下端固接有旋转平台(3)，旋转平台(3)的下端固接有相机座，相机座上固接有相机(6)，相机(6)的下端固接有镜头(7)，镜头(7)由上至下穿过相机座，镜头(7)的下部固接有偏转镜头(8)，用于将相机(6)的成像面由水平面调节至垂直面。

2.根据权利要求1所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，偏转镜头(8)拆卸后使用相机(6)成像时，使测量标靶的刻度范围处于XOY平面上，此时镜头(7)的视野范围能够在测量标靶处于XOY平面上的刻度范围内；

偏转镜头(8)安装在镜头(7)上时，使测量标靶的刻度范围处于YOZ平面上，此时镜头(7)的视野范围能够在测量标靶处于YOZ平面上的刻度范围内。

3.根据权利要求1所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，连接件通过多轴机床驱动实现沿纵向移动，测量标靶通过多轴机床驱动实现在水平面上移动。

4.根据权利要求1所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，连接件包括连接杆(1)，以及通过螺纹连接在连接杆(1)下端的连接法兰(2)，连接法兰(2)与旋转平台(3)固接。

5.根据权利要求1所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，相机座包括与旋转平台(3)下端固接的连接壳(4)，以及固接在连接壳(4)下端的连接板(5)，相机(6)固接在连接板(5)上。

6.根据权利要求5所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，连接板(5)上固接有罩在镜头(7)和偏转镜头(8)外周的上保护壳(9)，上保护壳(9)的下端可拆卸固接有罩在偏转镜头(8)下方的下保护壳(10)。

7.根据权利要求2所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，所述测量标靶包括安装基座(11)，安装基座(11)上端设有多个定位孔Ⅰ，全部定位孔Ⅰ的中心连线为直角折线，定位孔Ⅰ内插固有定位销(12)，安装基座(11)上端设置有标靶座(14)，标靶座(14)的侧壁面与下端面上设有工艺孔(14a),标靶座(14)通过工艺孔(14a)插接在定位销(12)上，安装基座(11)与标靶座(14)之间嵌入有固定在标靶座(14)上光源(13)，标靶座(14)的上端设置有光刻板(15)，光源(13)在光刻板(15)上的发光范围不小于光刻板(15)的图像区域，光刻板(15)的上端设置有压板(17)，压板(17)可拆卸固接在标靶座(14)上。

8.根据权利要求7所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，在直角直线上一个方向上的定位销(12)至少包括一个菱形销和一个圆柱销。

9.根据权利要求7所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，光刻板(15)上刻有用于定位的编码图案。

10.根据权利要求7所述的基于显微视觉的机床平面运动轨迹测量组件，光刻板(15)为光学玻璃且自身上端面镀有金属膜。