[發明專利]一種多測頭安裝角度的調節裝置、測量和補償方法

有效

• 申請號: 201711236549.0
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108319299B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 石照耀;王濤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;G01D21/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種多測頭安裝角度的調節裝置，其特征在于：由工作臺、左調節和測量系統A以及右調節測量系統B所組成；左調節和測量系統A與右調節和測量系統B在工作臺上對稱設置；

左調節和測量系統A中：左側激光測頭通過精制鎖緊螺母固定在左側安裝臂一端的預置孔上，左側安裝臂軸向長光柵安裝在左側安裝臂的上端軸線方向，左側安裝臂另一端通過銷軸a與左側特殊螺母、水平微調量塊a連接在一起，左側特殊螺母以螺紋螺孔方式連接至左側x向精密絲杠，左側x向精密絲杠兩端連接精密密珠軸承a和精密密珠軸承b以實現定位，左側x向精密絲杠在一側通過聯軸器a與左側伺服電機連接，長光柵讀數頭a與支撐點調整卡扣a連接提供支撐力，長光柵讀數頭a的作用是讀取左側安裝臂軸向長光柵的數據；左調節和測量系統A作用是通過計算機驅動伺服電機實現左側安裝角度的自動調整；

右調節和測量系統B中：右側激光測頭通過精制鎖緊螺母固定在右側安裝臂一端預置孔上，右側安裝臂軸向長光柵安裝在右側安裝臂的上端軸線方向，右側安裝臂另一端通過銷軸b與右側特殊螺母、水平微調量塊b連接在一起，右側特殊螺母以螺紋螺孔方式連接至右側x向精密絲杠，右側x向精密絲杠兩端連接兩個精密密珠軸承c和精密密珠軸承d實現定位，右側x向精密絲杠在一側通過聯軸器b與右側伺服電機連接，上方測量安裝臂的長光柵讀數頭b與支撐點調整卡扣b連接提供支撐力；上方測量安裝臂的長光柵讀數頭b用以讀取右側安裝臂軸向長光柵的數據；右調節和測量系統B其作用是通過計算機驅動伺服電機實現右側安裝角度的自動調整；

在測量過程中，左調節和測量系統A和右調節和測量系統B為完全對稱的兩個系統，兩個系統可以各自獨立運轉、測量；左調節和測量系統A測量過程如下：令支撐點調整卡扣a在工作臺上確定支撐位置，長光柵讀數頭a在支撐位置上留有一個z向旋轉自由度，其作用是限制左側安裝臂的五個自由度，并結合左側安裝臂軸向長光柵測量左側安裝臂的軸向移動值，左側安裝臂一端安裝面上預設安裝孔配合精制鎖緊螺母陣列式安裝多個左側激光測頭，另一端通過銷軸a連接至左側特殊螺母，水平微調量塊實現左側安裝臂的oxy面微調并提供左調節和測量系統A在z軸方向的縱向支撐力；左側特殊螺母的x軸向運動的動力來源于左側x向精密絲杠；如果左側x向精密絲杠轉動一圈，與之匹配的左側特殊螺母則在x向水平線性移動一個導程，測量左側安裝臂的軸向移動值，通過邊角關系的轉化實現安裝角度的測量和粗調；

左側特殊螺母和右側特殊螺母結構相同，左側特殊螺母的內孔攻絲是左旋、右側特殊螺母的內孔攻絲是右旋；左側特殊螺母的z軸縱向設計有安裝孔，通過銷軸a與左側安裝臂的一端相連接；在左側特殊螺母中部x軸向攻絲與左側x向精密絲杠相匹配，下部設計為V字形設計保證軸向的線性運動和與支撐位置的相互位置關系；將左側測x向精密絲杠位移長光柵的讀數頭與左側特殊螺母中心軸線上方設置的螺紋孔進行固定連接，為減小阿貝誤差的影響，測量左側特殊螺母x軸向位移量值。

2.根據權利要求1所述的一種多測頭安裝角度的調節裝置，其特征在于：本裝置實現兩個旋轉運動和四個直線運動共六個運動；兩個旋轉運動為：左側伺服電機通過聯軸器a連接驅動左側x向精密絲杠的旋轉運動，和右側伺服電機通過聯軸器b連接驅動右側x向精密絲杠的旋轉運動；四個直線運動為：左側特殊螺母、右側特殊螺母在工作臺上V型導軌內的沿x方向的兩個直線運動；左側安裝臂、右側安裝臂以各自銷軸孔中心為起點以支撐位置讀數頭為計值點進行安裝臂軸線方向的兩個直線運動；在工作臺上預留與左側x向精密絲杠、右側x向精密絲杠的軸線不同垂直距離的支撐位置孔，這樣設置的作用是為角度算法提供一個約定真值參數。

3.根據權利要求1所述的一種多測頭安裝角度的調節裝置，其特征在于：本裝置還包括電控部分，電控部分由計算機、同步數據采集系統和伺服電機驅動與控制系統所組成；測量、調整裝置中有兩個伺服電機和四個傳感器，兩個伺服電機即左側伺服電機和右側伺服電機，這兩個伺服電機都是通過計算機驅動伺服電機驅動和控制系統進行調控；四個傳感器為左側安裝臂軸向長光柵、右側安裝臂軸向長光柵、右側測x向精密絲杠位移長光柵，左側測x向精密絲杠位移長光柵，這四個傳感器的信號由同步數據采集系統進行處理后，輸送至計算機；伺服電機的編碼器信號、長光柵傳感器數據信號均最終反饋至計算機中；計算機用于實現測量過程電機控制、測量數據接收及存儲、角度算法自動運算、打印報表及顯示功能。

4.利用權利要求1所述裝置進行的一種多測頭安裝角度的調節裝置進行測量的方法，該方法是按以下步驟實現的：

1)在左安裝臂、右安裝臂上通過精制鎖緊螺母安裝測頭，然后根據計算機上輸入的安裝角度調整工作臺上的支撐點位置，這樣就能得到支撐點至絲杠軸心線的垂直距離參數值d’；參數值d’是帶有制造誤差及安裝誤差的一個近似真值，令d’＝d+ds，其中d為真值，ds為制造誤差及安裝誤差引起的誤差；

2)粗調測量，通過反正弦定理求得左側安裝臂軸向移動值l₀、右側安裝臂軸向移動值l₁，左、右側安裝臂軸向長光柵將安裝臂軸向移動量，經信號處理后反饋計算機，計算機控制伺服電機驅動與控制系統驅動精密絲杠旋轉，實現安裝臂的l₀、l₁移動量，從而滿足安裝角度要求；那么，粗調測量需安裝臂上的長光柵數據測量即可實現；

其中，θ_左、θ_右為左右安裝臂測量的角度值；粗調中1)所述的ds制造誤差及安裝誤差引入至角度的測量和調整中來，式(1)中得到的l₀、θ_左、l₁和θ_右實際上都會存在理論偏差；為了滿足精密測量需求，在此提出相應的角度測量和調整的補償方法；

3)在粗調之后，采用反余弦定理實現精調：采用安裝臂上的長光柵和絲杠軸向的長光柵，分別采集安裝臂軸向再調整前后的移動值和精密絲杠x軸向變化差值；

精密絲杠正轉情況，安裝臂長光柵得到特殊螺母從B位置移動至C位置，變化量ΔS₁；絲杠軸向長光柵得到對應的安裝臂長度AB調整至AC；

其中，Δθ₁為ds引起的第一種角度偏差值，ΔS₁為精密絲杠x正向微調量；

精密絲杠反轉情況，安裝臂長光柵得到特殊螺母從B位置移動至D位置，變化量ΔS₂；絲杠軸向長光柵得到對應的安裝臂長度AB變化至AD；

其中，Δθ₂為ds引起的第二種角度偏差值，ΔS₂為精密絲杠x反向微調量；

χ＝π-(θ_L+θ_R) (4)

其中，χ為兩個安裝臂之間的夾角，θ_L、θ_R分別為左、右安裝臂精調后的安裝角；

以精密絲杠傳動精度和長光柵分辨率來保障的角度精確度，能最大限度降低步驟1)、2)中機械結構零部件的制造和安裝誤差對角度的影響；通過精密絲杠正、反轉精調，兩個長光柵的同步數據采集、處理及計算機控制，可得到精確的安裝角度。