支持数控加工的在位自动测量的激光和机器视觉测量机的制作方法

本发明涉及一种测量机装置，特别涉及一种支持数控加工的在位自动测量的激光和机器视觉测量机机构。

背景技术：

常用测量方法可以分为离线测量，在位测量和在线测量三种。离线测量是指待加工完成后再在检测室进行测量，测量和加工过程是分开的，若测量不合格，则需要重新装夹进行修复，容易产生夹装误差；在位测量是指加工完成之后无需卸下工件在机床工作台上直接测量；在线测量是指在加工过程中实时的进行测量，随时掌握加工误差以及变化趋势，能及时进行控制，是一种动态测量过程。理论上来说，在线测量是最好的测量方案选择，但由于现有技术及环境的限制，在线测量进行具体实施的难度较大，本发明主要针对在位测量的方法。研究数控机床上的在位自动测量，减少零件的搬运移动，提高加工效率，避免二次装夹，提高测量精度。运用机械手的自动测量，使制造与测量精密相连，让测量融入到了制造设备之中。机械手上装配了激光和机械视觉测量探头，从而组成了在位自动测量系统，让测量的结果能及时反馈给加工过程，使得零件制造过程成为一个具有反馈的闭环系统，对于制造所追求的效率与精度都有重要的意义。

技术实现要素：

本发明是要提供一种支持数控加工的在位自动测量的激光和机器视觉测量机，该测量机能在不丢失机床原点和原有精度的前提下测量，提高测量精度，机械手的自动化完成加工过程中的在位测量，实现测量与制造的无缝链接，并利用激光测距和机器视觉测量工件尺寸为基本测量工具，测量机具备与数控机床兼容，切削罩防护，自动聚焦，与主轴自动绑定与独立可控，实现与数控协同工作。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种支持数控加工的在位自动测量的激光和机器视觉测量机，包括小手臂组件、大手臂组件、吸盘底座组件及防切屑罩组件，其特征在于：所述小手臂组件通过小手臂座与大手臂组件连接，所述的小手臂组件包括测量探头组、腕部中心轴、电机齿轮箱、减速器a、旋转臂电机，所述小手臂座上装有控制小手臂摆动的减速器b和小手臂摆动电机，腕部中心轴后端通过电机齿轮箱和减速器a连接旋转臂电机，由旋转臂电机通过减速器a和电机齿轮箱调节控制腕部中心轴旋转，腕部中心轴前端安装测量探头组；所述大手臂组件通过驱动臂座与吸盘底座组件连接，所述的大手臂组件包括大手臂支架、控制大手臂摆动的两个减速器c、大手臂摆动电机、安装法兰，所述大手臂摆动电机通过螺栓和安装法兰安装在减速器c上，减速器c的旋转轴通过键与轴承套连接；轴承套采用过盈配合与大手臂支架连接，驱动臂座通过螺栓与减速器c外圈固定连接；所述吸盘底座组件通过螺栓与驱动臂座固定连接，其两侧焊接有防切屑罩组件，所述的吸盘底座组件包括大底座、四个磁力吸盘、吸盘可调螺钉，大底座底面通过吸盘可调螺钉安装四个磁力吸盘。

所述防切屑罩组件包括防护罩、插销柱、焊接套筒以及控制插销柱旋转的电机，所述防护罩通过焊接套筒连接插销柱，使防护罩可绕插销柱张开或闭合，插销柱连接电机，由电机通过插销柱控制防护罩张开或闭合，从而实现对测量机的隔离或撤除。

所述测量探头组包括测量座、机器视觉探头、激光探头，机器视觉探头安装在测量座底面的中央，可随腕部中心轴旋转，实现机器视觉探头的调焦；激光探头安装在测量座-底面的边缘位置，可随腕部中心轴旋转，对激光在工件上的方位进行调整。

所述小手臂座与大手臂支架之间通过关节轴芯和轴承连接，关节轴芯通过减速器b与小手臂摆动电机连接，小手臂摆动电机通过螺栓安装在减速器b上，小手臂座用螺栓与减速器b外圈固定连接。

本发明的有益效果是：本发明用于数控机床上的在位自动测量，能减少零件的搬运移动，提高加工效率，避免二次装夹，提高测量精度。运用机械手的自动测量，使制造与测量精密相连，让测量融入到了制造设备之中。机械手上装配了激光和机械视觉测量探头，从而组成了在位自动测量系统，让测量的结果能及时反馈给加工过程，使得零件制造过程成为一个具有反馈的闭环系统，对于制造所追求的效率与精度都有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的激光和机器视觉测量机结构立体示意图；

图2是本发明的吸盘底座组件图；

图3是本发明的防切屑罩组件图；

图4是本发明的大手臂关节图；

图5是本发明的小手臂关节图；

图6是本发明的旋转臂安装图。

图7是本发明的测量探头图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

数控机床在加工的过程中有各种检测任务，包括测定零件的编程原点、对首件零件进行检测、在工序之间的检测和在加工完成后的检测等。在位自动测量能在不丢失机床原点和原有精度的前提下测量工件精度。因此，开展面向数控机床的在位测量技术的研究将是实现测量与制造无缝链接的重要纽带。本发明给出一种支持数控加工的在位自动测量的激光和机器视觉测量机，通过在机械手上装夹激光和视觉测量系统进行测量。主要内容如下：

(1)确定测量机构的安装，主要包括在机床上的安装位置，以及采用何种方式安装。要做到机构是可拆卸的，拆卸方式简单，同时安装具有一定的稳定性，安装位置要避免影响机床加工。

(2)确定采用机械手的方式来运载装有测量系统的探头。对机械手的结构以及驱动方式进行设计。主要要求能达到的目的是，机械手的运动具有较高的精度，能够准确定位；机械手能实现3个轴的运动，以满足测量范围的需求；机械手要可折叠收回，收回尺寸足够小，这样可完全避免测量机构对机床加工的干扰。

考虑到机床加工时产生的切屑，对机械手进行防切屑的设计。要做到机械手收回时能对测量机进行隔离，防止切屑的影响，在测量之前能及时便利的对隔离进行撤除，让测量过程畅通无阻。

如图1至图7所示，本发明的支持数控加工的在位自动测量的激光和机器视觉测量机，包括小手臂组件1、大手臂组件2、吸盘底座组件3及防切屑罩组件4。

小手臂组件1通过小手臂座16与大手臂组件2连接，小手臂座16上装有控制小手臂摆动的减速器b17和小手臂摆动电机18。大手臂组件2通过驱动臂座24与吸盘底座组件3连接，吸盘底座组件3通过螺栓与驱动臂座24固定连接，其两侧焊接有防切屑罩组件4。测量探头组11安装在小手臂组件1前端。

1.各零部件装配

如图2所示，吸盘底座组件3包括大底座31、四个磁力吸盘32、吸盘可调螺钉33。大底座31底面通过吸盘可调螺钉33安装四个磁力吸盘32。本吸盘底座组件3在安装方面采用了接触面积可调的磁力吸盘在机床工作台侧面安装的方案。该方案具有以下几点特性。

(1)机构采用磁力吸盘进行固定。磁力吸盘的固定方式具有两个优点，其一是吸盘具有足够的吸附性，能保证机构的稳定安装；其二是磁力吸盘由于其磁性可调的性质，能够简易可行的实现整个机构的装卸。

(2)磁力吸盘的接触面可调。磁力吸盘在结构方面分为了四个小吸盘，通过滑轨调节小吸盘之间的间隙，能够使机构与机床的接触面积发生变化，从而实现了对不同接触面的适应。

(3)机构的安装位置选在侧方位安装。有了磁力吸盘的吸附功能，机构的稳定性得到了保证，由此对安装位置的选择只需要考虑一个原则：对机床的加工过程不产生影响。因此采用侧方位安装，能完全将机构隐藏在工作台之外，做到加工与测量互不干扰。

如图3所示，防切屑罩组件4包括防护罩41、插销柱42、焊接套筒43以及控制插销柱旋转的电机44。防护罩41通过焊接套筒43连接插销柱42，使防护罩41可绕插销柱42张开或闭合，插销柱42连接电机44，由电机44通过插销柱42控制防护罩41张开或闭合，从而实现对测量机的隔离或撤除。本防切屑罩组件4采用了用电机带动防护罩绕旋转轴运动的方案。防护罩绕旋转轴可张开与闭合，从而实现了对机构的隔离和撤除。由电机控制切屑罩的旋转轴运动，方案简单且切实可行，实现了机构的自动化运行，提高了整个加工测量过程的效率。

如图4所示，大手臂组件2包括大手臂支架21、控制大手臂摆动的两个减速器22及电机23，用于固定的驱动臂座24和用于电机与减速器连接的安装法兰25。大手臂摆动电机23通过螺栓和安装法兰25安装在减速器c22上，减速器c22的旋转轴通过键与轴承套连接；轴承套采用过盈配合与大手臂支架21连接，驱动臂座24通过螺栓与减速器c22外圈固定连接。

如图1，5所示，小手臂组件1通过小手臂座16与大手臂组件2连接，小手臂座16上装有控制小手臂摆动的减速器b17和小手臂摆动电机18。小手臂座16与大手臂支架21之间通过关节轴芯19和轴承20连接，关节轴芯19通过减速器b17与小手臂摆动电机18连接，小手臂摆动电机18通过螺栓安装在减速器b17上，小手臂座16用螺栓与减速器b17外圈固定连接。

如图6所示，小手臂组件1包括测量探头组11、腕部中心轴12、电机齿轮箱13、减速器a14、旋转臂电机15，腕部中心轴12后端通过电机齿轮箱13和减速器a14连接旋转臂电机15，由旋转臂电机15通过减速器a14和电机齿轮箱13调节控制腕部中心轴12旋转，腕部中心轴12前端安装测量探头组11。电机齿轮箱13的一侧连接有减速器a14连接旋转臂电机15，通过电机—减速机—齿轮箱调节控制腕部中心轴12的旋转运动。

电机齿轮箱13内有手腕直齿相配合，在另一段通过轴承，小手臂旋转法兰，轴承隔套与腕部中心轴12相连。腕部中心轴12再通过轴承与前爪固定座相连，固定座之后将用于测量系统的安装。

如图7所示，测量探头组11安装在小手臂组件1上，测量探头组11包括测量座11-1、机器视觉探头11-2、激光探头11-3，机器视觉探头11-2安装在测量座11-1底面的中央，可随腕部中心轴12旋转，实现机器视觉探头11-2的调焦；激光探头11-3安装在测量座11-1底面的边缘位置，可随腕部中心轴12旋转，对激光在工件上的方位进行调整。

机器视觉探头安装在安装面的中央，随旋转轴旋转，可以实现摄像头的调焦。摄像头覆盖面积大，在中央位置便能清楚的拍摄整个工件。激光探头安装在安装面的边缘位置，随着旋转轴的旋转，可以对激光在工件上的方位进行调整。由于激光为一点，覆盖面积小，旋转轴的旋转对于激光位置的调整，可以帮助激光测距仪测出工件不同部位的距离，进而实现全方位的非接触式测量。

2.电机的选型

通过机械手的设定质量与尺寸可以计算各关节的转动惯量，再由给定的旋转速度与转动惯量可以计算出减速器所需输出的转矩t0，由此可计算出电机所需的输出力矩tout。

计算公式如下

式中：

t0—减速器的输出转矩

tout—电机的输出力矩

i—减速器减速比

η—减速器的传递效率

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。