本发明属于机械量测量技术及仪器领域， 尤其涉及在线测量系统。 具体讲， 涉及单关 节臂在线原位测量系统。 背景技术

国民经济与国防的发展对于产品的精度要求越 来越高、 各种形状复杂的零件所占的比 重越来越大。 这些高精度复杂零件加工时间长、 加工费用高， 不合格品带来的损失大。 在 加工工艺过程中采用适当的检测装置， 适时地检测加工件的各种尺寸、 形状、 位置参数， 对于提高加工精度， 保证产品质量、 防止或减少废品， 具有重要意义。

图 1是典型的加工中测量装置示意图。 测量装置 103在工件 102的加工过程中测量工 件的尺寸。 当工件 102的尺寸接近所要求尺寸时， 测量装置 103发出指令， 让机床由粗加 工转为精加工。 当工件 102的尺寸达到所要求尺寸时， 测量装置 103发出指令， 停止加工。 图 1中 101是机床床头箱， 104是尾架。

这种加工中测量装置能够有效地提高加工精度 ， 防止产生废品。 意大利 Marpose公司 和我国中原量仪厂等生产这类加工中测量装置 。 但是这类加工中测量装置只能用于轴径、 孔径、 台阶高度等一些简单参数的测量。 而国民经济与国防中需要加工许多复杂的零件 ， 如发动机整体叶盘、 齿轮、 箱体等。 这些零件形状复杂， 首先需要检测的是叶片或齿面等 复杂曲面的形状， 以及它们的相对位置。 图 1所示加工中测量装置显然是无能为力的。

对于这类复杂零件， 目前最常用的方法是在生产线的两个工序间放 置一些专用的、 或 包括三坐标测量机在内的通用测量仪器。 在完成一个加工工序后对加工件进行较全面的 检 测。 根据检测结果只让在上一道工序符合要求的零 件进入下一道工序。 这样做的好处是避 免让不合格的件进入下一道工序， 造成工时的浪费。 这种方法属于在线检测， 它在生产线 上进行检测， 但不是原位检测， 它不在加工工位上进行检测， 而是在前一台机床上加工完 后卸下， 送到测量机上进行检测。

发动机整体叶盘、 大型齿轮、 大型箱体等都是十分昂贵的， 对于原材料要求也很高。 原材料与前面已完成的工序加工费用都很高。 如果因为某一道工序中某些局部参数不符合 要求而报废是十分可惜的， 应当尽可能进行返修， 使之成为合格件。 但是目前广泛采用的 在线测量方法是在加工完毕后， 将它从机床上卸下， 送到测量机上进行检测。 如果发现某 些局部参数不符合要求再送回原机床返修存在 许多困难。 一是整个工艺流程不顺， 二是将 工件从机床上卸下后就失去了它的安装基准， 重新安装会因基准改变带来误差。 为了解决 这两个问题要求进行在线在位检测。

有的数控机床和加工中心带有检测装置。 最简单的是在加工完毕后， 用机床上配置的 测头检测刀具的磨损。 这种方法只能发现刀具的磨损， 发现不了其它加工误差。 较先进的 方法是， 在刀具退出后， 在刀具处换上测头， 利用机床带动测头运动， 对工件进行检测。 这种方法固然能够发现由于刀具磨损、 机床振动、 由于切削力引起的变形等影响， 但是从 原理上说它存在问题， 它不能发现由于机床运动误差而产生的种种误 差。 刀具与测头是由 同一控制系统、 运动机构带动运动， 机床的运动误差同时影响加工误差与测量误差 。 发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足， 提供一种机械加工在线测量装置， 能够检测到 刀具磨损、 机床振动、 由于切削力引起的变形、 机床运动误差等对加工产生的影响， 为达 到上述目的， 本发明采取的技术方案是， 单关节臂在线原位测量装置， 由关节臂、 测头回 转体、 测头、 z向运动部件、 向运动部件、 误差补偿系统及数据处理与控制计算机、 电动 机组成；

关节臂采用比重小、 弹性模量大的碳素纤维制作； 关节臂的前端安装有测头回转体， 测头安装在测头回转体上， 关节臂套装在径向与轴向运动误差小、 角摆运动误差小的精密 轴系上， 套装锁死时， 关节臂随精密轴系转动， 套装松开时， 关节臂可以绕精密轴系转动； z向运动部件由精密轴系、 z向滑板、 导轨座组成， 精密轴系上安装有精密测角系统， 在计算机控制下电动机经过减速箱带动精密轴 系转动从而带动关节臂转动所需角度， 精密 测角系统测得转动所需角度； 精密轴系的座固定在 z向滑板上， z向滑板上的两个滑枕与 z 向导轨座上的精密导轨构成直线运动导轨副， z向滑板和 z向导轨座上分别装有光栅尺与 读数头， 利用光栅尺与读数头读出 z向滑板相对于 z向导轨座的移动量， 在计算机控制下， 另一电动机经过其减速箱和丝杠带动 z向滑板移动到所需位置；

X向运动部件由 JC向滑板构成， z向导轨座固定在 JC向滑板上， JC向滑板上的两个滑枕 与机床基座上的精密导轨构成直线运动导轨副 ， X 向滑板和基座上分别装有光栅尺与读数 头， 利用该光栅尺与读数头读出 X向滑板相对于基座的移到量； 在计算机控制下， 第三个 电动机经过其减速箱和丝杠带动 X向滑板移动到所需位置；

误差补偿系统的组成为： 在机床基座上装有自准直光管， 在 z向滑板上装有长反射镜， 在测量过程中自准直光管测量长反射镜的角度 位置的变化， 并按此引入误差补偿；

精密轴系的座与 z向滑板的相对位置、 z向导轨座与 X向滑板的相对位置均可调整； 根 据标定结果， 利用测量机的调整机构将精密轴系的转轴与 z向运动调平行， 将 z向运动调 到与 X向运动垂直， 由于受机械结构和调整灵敏限的限制， 调整不可能完全理想， 在调整 并稳定一段时间后再次标定， 并将残存的误差作为误差补偿的依据。

回转体为能够连续回转的测头回转体， 或非连续回转的测头回转体， 测头为扫描或触 发测头， 回转体做绕水平与竖直轴转动、 关节臂绕精密轴系转动、 z向滑板做 z向运动； X 向滑板做 向运动， 最终带动测头实现 5自由度的运动。

单关节臂在线原位测量方法借助于前述单关节 臂在线原位测量装置实现， 包括下列步 骤：

将精密轴系的转轴与 z向运动调平行，将 z向运动调到与 向运动垂直， 由于受机械结 构和调整灵敏限的限制， 调整不可能完全理想， 在调整并稳定一段时间后再次标定， 并将 残存的误差作为误差补偿的依据； 将关节臂即测头回转体的回转中心到与精密轴 线 5轴线的垂线与 X向运动平行的位置 定义为关节臂转角 的零位， 将测头回转体绕 B轴即竖直轴转动时测端位置不变的位置定 义为测头回转体 3的 cc角零位， 将 cc= 90 ° 时， 测头的探针与关节臂平行位置定义为测头 回转体的 角零位；

在将整个测量机安装到机床旁后， 还需要通过标定， 将测量机的 X向运动调整到与机 床相应运动平行， 并让测头的探针在 α= 90 ° 、 β =0。 时通过机床转台的轴线；

根据测量机的原理结构、 建立测量机的数学模型；

让关节臂 4按与收拢时相反的方向转 180 ° ， 进入工作状态；

按照测量任务的要求， 根据所建立的数学模型， 形成测量的路径规划， 在计算机控制 下， 完成单个叶片或齿、 或某个局部的测量， 利用测头具有的 5个运动自由度， 在计算机 控制下让测头探针以合适的方向伸入被测零件 的槽内、 测端移动到指定的待测点；

根据需要， 进行扫描或点位测量， 同时采集 X向滑板、 ζ向滑板的坐标值 和 ζ、 关节 臂的转角 θ、 测头回转体绕水平和竖直轴的转角 ^和 测头在自身坐标系下三个方向的 空间坐标的长度向量读数 、 自准直光管在两个方向的角度值 、 ψ, 假设垂直于自准直光 管的光路作一平面， 其中 φ、 ^方向分别为该平面内的水平方向与铅直方向� � 对测量信号 进行调理， 含模数转换后进行存储； 根据所建立的数学模型和由标定得到的测量机 的各个 参数和误差值进行误差补偿， 获得所测点云各个点的坐标值， 对所得到的点云的坐标值进 行数据拟合和重构， 获得被测曲面的形状；

将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学 模型进行比较， 合乎要求的通过验收， 或允许其进入下一工序； 对偏离技术要求的， 计算返修量， 并形成返修加工程序。

本发明具有如下技术效果：

1、 尺寸小， 便于在机床旁安装， 实现原位测量。

2、 重量轻， 在必要时可以从机床旁移开， 不影响机床其它工作。

3、 测量部件可以方便地退到机床玻璃罩外， 不受冷却液和切屑影响。 测头可以收拢， 免受损坏。

4、 配有测头回转体， 测量机具有 5个运动自由度， 能够在计算机控制下让探针伸入被 测零件的槽内、 测端移动到指定的待测点。 可以测量各种槽窄、 扭转角大的复杂型 面。

5、 可以利用机床转台， 将需要测量的部位转到机床前端， 进行测量。 同时通过检测安 装在机床转台上的标准球盘上某一个或若干球 的球心位置变化，对机床转台分度误 差和转轴的径向与轴向运动误差进行补偿， 使机床转台误差对测量结果没有影响。

6、 只有一个在水平面内转动的关节臂， 关节臂的转动对于它的重力变形没有影响。关 节臂转角较小， 关节臂转动时关节臂及测头、 测头回转体的重量对于 X向与和 ζ向 运动部件作用臂长变化小， 所引起的重力变形变化小。

7、 在基座上装有自准直光管， 在 ζ向滑板上装有长反射镜。 可以有效地补偿 X向与和 z向运动部件角运动误差和重力变形变化的影� �， 提高测量精度。

8、 竖直运动部件处于中间环节， 竖直运动部件只需要带动关节臂、 测头、 测头回转体 及 z向滑板， 驱动方便。

9、 测量机具有性能良好的控制系统和丰富的测量 软件， 可以对测量数据进行调理、误 差补偿、 拟合和重构， 并形成返修指令。 附图说明

图 1为轴类零件加工中测量装置示意图。 图中， 101是机床床头箱， 102工件， 103测 量装置， 104是尾架。

图 2为机床的典型布局示意图。 图中， 1辅助工位、 2机床工作台、 刀架 3、 4转台、 另一辅助工位 5。

图 3为单关节臂在线原位测量机工作原理图。 图中， 31电动机， 32测头， 33回转体， 34关节臂， 35精密轴系， 36竖直滑板， 37长反射镜， 38导轨座， 39丝杠， 310滑枕， 311 电动机， 312水平滑板， 315滑枕， 314另一电动机， 316基座， 317自准直光管。

图 4为处于收拢状态的单关节臂测量机示意图。

图 5为装有标准球盘的机床示意图。 具体实施方式

计量学的一条基本原则是检测装置应该独立于 加工机床。

为了实现原位测量， 测量机应该符合下列要求。

1. 体积小 为实现原位测量， 测量机必须放置在机床近旁， 而机床近旁通常没有多 少空间。 图 2是数控机床与加工中心的一种典型布局。加� �件安装在机床工作台 2 的转台 4上， 它的后方是刀架 3， 前方有两个辅助工位 1和 5， 供上下料用。 测量 机只能安装在两个辅助工位 1和 5之间的狭小地带 （通常只有四、 五百毫米宽） 内。 此外测量机在 JC方向也有一定限制， 它不应伸出到车间过道。

2. 重量轻 两个辅助工位 1和 5之间的狭小地带虽然可以安装原位测量用的� �量机， 但是不宜永久占用， 因为在有的情况下还希望能够利用这一空间进 行一些其它工 作， 如维护、 清理等。

3. 探测部件具有退出与收拢功能 在测量时，探测部件应该至少能够伸到转台 4的转 轴处， 以实现对工件的全面测量。加工时探测部件应 该退到机床的玻璃罩外， 以免 受冷却液和切屑影响。 探测部件最好还具有收拢功能， 使测头得到有效保护。

4. 具有足够的测量范围， 灵活的探测性能， 能够伸入到工件的各个部位， 对工件实 现全面测量。

5. 具有通用性， 能够测量在该机床上加工的各种零件。

6. 具有高的测量精度， 能够满足加工需要。

7. 测量效率高， 测量能够自动进行， 以减少测量占用的机床工时。

8. 测量结果能够用于零件的返修， 形成返修指令。 显然， 目前广泛应用的正交式三坐标测量机由于体积 大、 重量重， 无法满足上述要求， 不适用于工件的在线原位测量。 目前存在的商品关节臂测量机， 由于精度低、 一般采用手 动操作、 效率低， 也无法满足上述要求， 不适用于在线原位测量。

本发明提供了一种能够在机床加工完毕后， 在加工原位， 不卸下工件， 对复杂工件进 行各种尺寸、 形状、 位置参数全面检测的测量系统。 在发现加工件不符合要求情况下， 能 够对机床发出返修指令、 进行返修加工的测量系统。

本发明的关节臂在线原位测量系统由图 3所示各部分组成。 它的主要特征是：

1. 它的前端（安装测头的一端）是一个可以绕竖 直精密轴系 35转动的关节臂 34。 在 测量时，它伸入机床玻璃罩内测量工件；测量 完毕后，关节臂 34在计算机控制下， 由电动机 31通过减速箱带动， 转动 180 ° ， 退到机床玻璃罩外。

2. 为适应测量整体叶盘等复杂零件的需要，在关 节臂 34的前端安装有测头回转体 33 与测头 32。 为了能够正确探测， 不仅要求测端能够在计算机控制下移动到指定 的 待测点， 而且要求测头 32的探针能够方便地伸入槽内， 这就是说要求测量机具有 5个自由度。 这里依靠测头回转体 33可以做绕水平与竖直轴转动、 关节臂 34能 够绕精密轴系 35转动、 竖直滑板 36可以做 z向运动； 水平滑板 312可以做 x向 运动， 实现 5自由度的运动。

3. 由于测量机没有 >向直线运动，不需要 _y向运动导轨，大大地减小测量机 _y向尺寸， 使它能够方便地安装在机床的两个辅助工位之 间 （参看图 2)。 这里测端的 向位 移由关节臂 34的转动产生， 它们之间具有非线性关系。 关节臂 34的转动还会引 起 JC 向的附加运动。 实际上即使采用正交式三坐标测量机， 测头回转体的转动也 会引起测端的在 x、 _y、 z三个方向的附加位移。这些问题很容易通过� �立数学模型， 在计算机控制程序中解决。

4. 测量完毕后首先将测头 32的探针转到水平向后的位置， 然后通过将关节臂 34转 动 180 ° ， 将整个测量装置退到机床玻璃罩外， 并收拢， 如图 4所示， 使测头得到 保护。 与单纯依靠移动 向滑板 312， 将整个测量装置退到机床玻璃罩外相比， 大 大地减小了所需要的 X向行程， 减小了测量机 X向尺寸。

5. 由于同时减小了测量机在 X与 方向的尺寸， 使测量机的重量大幅度地减轻。在需 要的时候， 可以较方便地从机床旁移开。

6. 测头回转体 33与测头 32可以根据任务情况选择。 对于整体叶盘等叶片扭转角很 大， 而相邻叶片间槽很窄的零件， 需要采用能够连续回转的测头回转体， 如 Revo。 而对于一般齿轮等扭转角不是很大， 而相邻齿间槽较宽的零件， 可以采用非连续 回转的测头回转体， 如 rai0、 TESASTAR等。 根据对于精度与测量效率的要求， 可 以采用扫描或触发测头。 通过选用适当的测头回转体与测头， 测量机可以探测各 种具有复杂形状的零件， 并具有较高的测量效率。

7. 为了补偿由于 X向滑板 312与 z向滑板 36的角运动误差，以及关节臂 34转动过程 中可能引起的 z向与 X向运动部件的变形发生变化， 在基座 316上装有自准直光 管 317， 在 z向滑板 36上装有长反射镜 37。 在测量过程中自准直光管 317测量长 反射镜 37的角度位置的变化， 并按此引入误差补偿， 提高了测量精度。

8. 对于整体叶盘、 齿轮等复杂零件， 由于从机床后端 （图 2中的 -X端） 探入困难， 需要通过转动机床转台 （图 2中的件 4)， 将需要测量的叶片或齿转到机床前端， 进行测量。 为了避免机床转台分度误差和转轴的径向与轴 向运动误差的影响， 在 机床转台上安装一个标准球盘 6，如图 5所示。图 5中其它符号的含义与图 2相同。 通过用本测量机检测转台 4转动前后标准球盘 6上某一个或若干球的球心位置变 化， 可以检测出机床转台分度误差和转轴的径向与 轴向运动误差， 并对其进行误 差补偿。

9. 根据需要， 测量机可以进行扫描或点位测量。 测量机同时采集 向滑板 312、 z向 滑板 36的坐标值 X和 z、 关节臂 34的转角 θ、 测头回转体 33绕水平和竖直轴的 转角 α和 测头 32的读数 3、 自准直光管 317在两个方向的读数^ ψ。 测头在 自身坐标系下三个方向的空间坐标的长度向量 读数为 自准直光管在两个方向 的角度值^ ψ, 假设垂直于自准直光管的光路作一平面， 其中 ^ 方向分别为 该平面内的水平方向与铅直方向。 对测量信号进行调理 （含模数转换） 后进行存 储。 根据所建立的数学模型和由标定得到的测量机 的各个参数和误差值进行误差 补偿， 获得所测点云各个点的坐标值。 对所得到的点云各个点的坐标进行数据拟 合和重构， 获得被测曲面的形状。 对于需要通过转动机床转台才能实现全盘测量 的零件， 还要根据测量标准球盘上球心位置的结果， 对机床转台分度误差和转轴 的径向与轴向运动误差进行误差补偿， 并将测量结果统一到同一坐标系中。 将拟 合和重构后的数据与所测零件的理论数学模型 进行比较， 合乎要求的通过验收， 或允许其进入下一工序。 对偏离技术要求的， 计算各点的返修量， 并形成返修加 工程序， 进行返修。

下面结合附图和具体实施方式， 进一步详细说明本发明。

本发明的目的在于提供一种能够在零件加工后 、 在加工原位对加工件的尺寸、 形状、 各个元素的相对位置进行检测的在线、 原位测量系统。 它可以用于检测各种复杂型面， 并 能够在需要时输出返修指令。 它具有尺寸小， 可以安装在机床旁， 重量轻、 必要时可以移 开， 进行各种误差补偿、 精度高的特点。

本发明提出了一种单关节臂在线原位测量系统 。 其工作原理如图 3所示。

1 . 它由关节臂 34及安装在其上的测头回转体 33与测头 32、 ζ向运动部件、 χ向 运动部件、 误差补偿系统及数据处理与控制系统等部分组 成。

2. 关节臂 34采用比重小、 弹性模量大的碳素纤维制作。 在它的前端安装有测头 回转体 33与测头 32。 测头回转体 33与测头 32可以根据任务情况选择。 对于整 体叶盘等叶片扭转角很大， 而相邻叶片间槽很窄的零件， 需要采用能够连续回转 的测头回转体， 如 Revo。 而对于一般齿轮等扭转角不是很大， 而相邻齿间槽较 宽的零件， 可以采用非连续回转的测头回转体， 如 PH10、 Tesastar等。 根据对于 精度与测量效率的要求， 可以采用扫描或触发测头。

关节臂 4可以绕径向与轴向运动误差小、角摆运动误� �小的精密轴系 35转动。 精密轴系 35上安装有精密测角系统。在计算机控制下电� ��机 31经过减速箱带动 关节臂 34转动所需角度。 关节臂 34在一个方向可以转动 180 ° ， 以将整个测量 机退出到机床玻璃罩外， 不受冷却液和切屑影响。 测头 32可以收拢， 免受损坏。 在另一个方向的最大转角根据量程需要设定。

精密轴系 35的座固定在 z向滑板 36上， z向滑板 36上的两个滑枕 310与 z向 导轨座 38上的精密导轨构成直线运动导轨副， z向滑板 36和 z向导轨座 38上分 别装有光栅尺与读数头，利用它读出 z向滑板 36相对于 z向导轨座 38的移动量。 在计算机控制下， 电动机 311经过减速箱和丝杠 39带动 z向滑板 36移动到所需 位置。

z向导轨座 38固定在 X向滑板 312上， X向滑板 312上的两个滑枕 315与基座 316上的精密导轨构成直线运动导轨副， JC向滑板 312和基座 316上分别装有光 栅尺与读数头， 利用它读出 X向滑板 312相对于基座 316的移到量。 在计算机控 制下， 电动机 314经过减速箱和丝杠 313带动 X向滑板 312移动到所需位置。 精密轴系 35的座与 z向滑板 36的相对位置、 z向导轨座 38与 JC向滑板 312的 相对位置均可以调整。 根据标定结果， 利用测量机的调整机构将精密轴系 35 的 转轴与 z向运动调平行， 将 z向运动调到与 向运动垂直。 由于受机械结构和调 整灵敏限的限制， 调整不可能完全理想， 在调整并稳定一段时间后再次标定， 并 将残存的误差作为误差补偿的依据。

通过标定， 将关节臂 34 (即测头回转体 33的回转中心到与精密轴线 35轴线 的垂线） 与 X向运动平行的位置定义为关节臂 34转角 Θ的零位。 将测头回转体 33绕 B轴 （竖直轴） 转动时测端位置不变的位置定义为测头回转体 33的 a角零 位。 将 cc= 90 ° 时， 测头 32的探针与关节臂 34平行位置定义为测头回转体 33 的^角零位。

在将整个测量机安装到机床旁后， 还需要通过标定， 将测量机的 向运动调整 到与机床相应运动平行， 并让测头 32的探针在 cc= 90 ° 、 β = 0。 时通过机床转 台 34 (参看图 2 ) 的轴线。

根据测量机的原理结构、 建立测量机的数学模型。

以测量机在图 4所示处于收拢状态的位置作为"回家"位置。在 零件加工完毕、 并打开机床玻璃罩后， 让关节臂 4按与收拢时相反的方向转 180 ° ， 测量机进入 工作状态。

按照测量任务的要求， 根据所建立的数学模型， 形成测量机的路径规划。 在计 算机控制下， 测量机完成单个叶片或齿、 或某个局部的测量。 利用测量机具有的 5个运动自由度， 在计算机控制下让探针以合适的方向伸入被测 零件的槽内、 测 端移动到指定的待测点。 根据需要，测量机可以进行扫描或点位测量。 测量机同时采集 X向滑板 312 (图 3 ) 、 z向滑板 36的坐标值 X和 z、 关节臂 34的转角 θ、 测头回转体 33绕水平和 竖直轴的转角 和 测头 32的读数 、 自准直光管 317在两个方向的读数^ ψ. 对测量信号进行调理 （含模数转换） 后进行存储。 根据所建立的数学模型和 由标定得到的测量机的各个参数和误差值进行 误差补偿， 获得所测点云各个点的 坐标值。 对所得到的点云的坐标值进行数据拟合和重构 ， 获得被测曲面的形状。 对于需要通过转动机床转台才能实现全盘测量 的零件，需要在完成单个叶片或 齿、 或某个局部的测量后， 转动机床转台 4 (图 5 ) ， 将所需测量的叶片或齿、 或某个部位转到测量机前方， 继续测量。 还要利用测量机测量标准球盘 6上某个 或某些球心在转动前后的位置。 根据测量标准球盘 6上球心位置的结果， 对机床 转台 4的分度误差和转轴的径向与轴向运动误差进� �误差补偿， 并将测量结果统 一到同一坐标系中。

将拟合和重构后的数据与所测零件的理论数学 模型进行比较，合乎要求的通过 验收， 或允许其进入下一工序。 对偏离技术要求的， 计算返修量， 并形成返修加 工程序。

在完成全部测量后， 在计算机控制下， 测量机回到图 4所示 "回家"位置。 如果测量结果表明所加工零件符合要求，则将 零件送到图 5所示辅助工位 1或 5后卸下。 接着安装并加工下一零件。 如果测量结果表明所加工零件偏离技术要 求， 则工件留在原位， 关闭机床玻璃罩。 根据所形成的返修加工程序， 进行返修 加工。