軸類零件輪廓測量儀及其應用的制作方法

本發明涉及測量儀器，尤其涉及一種軸類零件輪廓測量儀及其應用。

背景技術：

曲軸、凸輪軸等軸類零件作為裝備制造業動力驅動部件的關鍵零件，其加工質量直接關系到動力驅動部件的整體性能。國內對曲軸、凸輪軸等軸類零件的加工工藝及穩定性等方面的研究水平與發達國家相比存在很大的差距。而測量技術是制約曲軸、凸輪軸等軸類零件質量提高的關鍵因素之一，從一定程度上講，利用專用的測量設備獲得的曲軸、凸輪軸等軸類零件的高精度輪廓精度能夠有效的指導加工工藝。

關于曲軸、凸輪軸的誤差檢測技術及高效的專用儀器越來越受到國內外精密測量行業的關注，目前國內關于曲軸、凸輪軸等軸類零件的高精度專用檢測設備非常少，高端曲軸、凸輪軸等軸類零件檢測市場仍然被國外產品所占領，國際上專業做曲軸、凸輪軸等軸類零件檢測設備的公司是美國adcole公司的model1200系列曲軸、凸輪軸測量儀，目前國內汽車制造商，專業的機床制造商大多采用該公司的測量儀，作為檢驗軸類零件精度的依據，該系列產品的尾架頂尖上下移動及頭架輔助夾緊機構均采用手動方式實現。檢測時，被測工件放置在頭架頂尖后，調整至合適位置后，尾架頂尖通過人工操作桿運動至合適位置，通過上下頂尖固定被測工件位置，為了保證被測工件測量過程的穩定性，在頭架頂尖外圍設計了一套手動輔助夾緊機構，人工擰緊鎖緊螺母，完成被測工件的定位裝夾工作。待測量程序完成后，首先松開鎖緊螺母，將尾架頂尖退至合適位置，取下工件，完成測量工作。

目前市面上常用的曲軸、凸輪軸等測量儀，尾架頂尖的升降及頭架輔助夾緊機構均采用手動方式，增加了工件安裝調整時間，從而降低了測量效率，且該測量的價格和后期的維護成本很高。

氣浮導軌基于氣體動靜壓效應，實現無摩擦和無振動的平滑移動。它具有運動精度高、清潔無污染等特點。因其誤差均化作用，可用比較低的制造精度來獲得較高的導向精度。通常與伺服驅動，傳感器組成閉環系統，實現高精度位移定位。氣浮導軌在測量儀器、精密機械中得到了廣泛的應用。

技術實現要素：

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是，提供一種軸類零件輪廓測量儀，自動裝夾和卸載工件，并實現尾架頂尖的高精度、高效率定位，提高測量前工件安裝定位精度以及對工件表面輪廓精度的精確測量。

為實現上述目的，本發明提供了一種軸類零件輪廓測量儀，包括基座、床身、測量機構、測量氣浮導軌、測量驅動電機、尾架、頭架、夾持氣浮導軌和夾持驅動電機；

所述床身豎直地置于所述基座上；

所述測量氣浮導軌和所述夾持氣浮導軌豎直設于所述床身且相互平行；

所述測量機構包括x軸測量部件、z軸驅動拖板和z軸氣浮拖板，所述z軸驅動拖板由所述測量驅動電機驅動絲杠而帶動、沿所述測量氣浮導軌運動；

所述尾架由所述夾持驅動電機驅動絲杠而帶動、沿所述夾持氣浮導軌運動；

所述頭架正對所述尾架并具有夾持回轉機構，用于配合所述尾架夾緊用于測量的軸類零件并使零件可繞自身軸線轉動；

所述z軸氣浮拖板連于所述z軸驅動拖板并隨之運動，所述x軸測量部件連接于所述z軸氣浮拖板并由直線電機驅動，其測量頭的運動方向垂直于所述軸類零件的轉軸，用于測量所述軸類零件的徑向尺寸。全數控軸的設計使得該軸類零件輪廓測量儀可全自動精確控制，無需人工干預即可進行相關工件的夾緊和測量工作。

進一步地，所述z軸驅動拖板通過柔性連接件連接并帶動所述z軸氣浮拖板。柔性連接件具有一定的柔性，從不同方向柔性緩沖，消耗掉絲杠傳動過程中產生的變形和偏擺、扭動等各項誤差，提高測量部件的運動精度且成本較低。

進一步地，所述柔性連接件包括正交的縱橫至少各一條緩沖切槽。緩沖切槽結構簡單，便于加工。

進一步地，所述緩沖槽由線切割完成。

進一步地，所述緩沖槽為10行10列分布。緩沖槽的數量根據實際需要增加或減少，數量愈多、效果愈佳，依據工藝能力及經濟性權衡確定切槽數量。

進一步地，所述柔性連接件的材料為40cr。

進一步地，所述床身和所述基座之間還墊有調平墊鐵，該調平墊鐵用于調平所述床身。

進一步地，所述頭架還包括頭架轉臺，該頭架轉臺的頂部固定有所述夾持回轉機構、底部固定有調心調平機構。所述夾持回轉機構既可通過自動控制夾緊工件，也可使工件繞其軸心旋轉；調心調平機構設置的目的在于，保證夾持有待測量工件的夾持回轉機構運行平穩、不產生傾斜。

進一步地，所述x軸測量部件包括光柵尺，其對稱安裝于所述測量頭兩側每側各一。對稱安裝的雙光柵尺結構能最大限度地減少甚至消除由于非直線安裝產生的阿貝誤差。

進一步地，所述夾持回轉機構為雙氣缸浮動的自平衡夾持回轉平臺。

進一步地，所述軸類零件輪廓測量儀還包括配重機構，所述配重機構位于所述軸類零件輪廓測量儀的頂部并包括第一鋼絲繩、第一導向滑輪和第一配重，所述第一鋼絲繩通過第一導向滑輪轉向，兩端分別連接第一配重和所述z軸驅動拖板。

進一步地，所述第一配重的質量與所述測量機構的質量相平衡。該配重機構可進一步增加所述z軸氣浮拖板和所述尾架拖板的運動精度，使得軸類零件輪廓測量儀運行更平穩，提高電機的運動性能和氣體靜壓導軌的剛性。

進一步地，所述第一配重包括第一配重框和第一配重塊。

進一步地，所述配重機構還包括第二鋼絲繩、第二導向滑輪和第二配重，所述第二鋼絲繩通過第二導向滑輪轉向，兩端分別連接第二配重和所述尾架。

進一步地，所述第二配重的質量與所述頭架的質量相平衡。

進一步地，所述第二配重包括第二配重框和第二配重塊。

相應地，本發明還提供了上述軸類零件輪廓測量儀的應用，包括：

通過機械手將待測量工件放置于所述尾架和所述頭架之間；

控制所述夾持驅動電機，驅動所述尾架向著所述頭架運動至其頂尖頂緊所述待測量工件；

發送控制指令，控制所述夾持回轉機構，夾緊所述待測量工件；

發送控制指令，控制所述夾持回轉機構，驅動所述待測量工件繞其軸線旋轉；

發送控制指令，控制所述測量驅動電機，驅動所述z軸驅動拖板、從而驅動所述測量機構運動，使得所述x軸測量部件運動至與所述待測量工件軸向待測位置平齊；

發送控制指令，控制所述直線電機，驅動所述x軸測量部件向著所述待測量工件的軸線運動，直至所述測量頭接觸所述待測量部件；

讀取所述測量頭的位置，從而獲取所述待測量部件的徑向尺寸。

優選地，在所述通過機械手將待測量工件放置于所述尾架和所述頭架之間之前，還包括：發送控制指令，驅動所述直線電機，驅動所述x軸測量部件運動至其行程距離所述頭架和所述尾架連線的最遠端。

進一步地，所述x軸測量部件采用了光柵尺位移傳感器，所述讀取所述測量頭的位置，從而獲取所述待測量部件的徑向尺寸是通過從所述光柵尺位移傳感器讀取的。

本發明提供的軸類零件輪廓測量儀，可提供待測量工件的自動裝夾和卸載，并實現了尾架頂尖的高精度、高效率定位，從而提高了工件安裝定位的精度；增加配重機構后，測量機構和尾架的重量可由配重平衡，帶動測量結構和尾架上下運動的電機運行更為平穩，電機的運動性能和氣體靜壓導軌的剛性均得到提高；利用阿貝誤差的對稱性原理，在測量部件兩側對稱安排的雙光柵尺結構有效地消除阿貝誤差，在不考慮傳感器輕微的安裝偏差的情況下，甚至可認為完全消除了阿貝誤差，極大地提高了測量精度。實現了直徑320mm、長度800mm尺寸的軸類零件的高效率、高精度面型輪廓測量。

以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發明一種軸類零件輪廓測量儀的總體結構示意圖；

圖2示出了柔性連接件在測量機構上的連接方式；

圖3是柔性連接件的主視圖和左視圖；

圖4是x軸測量部件的主視圖；

圖5是x軸測量部件的俯視圖；

圖6是尾架的結構示意圖；

圖7是頭架的結構示意圖；

圖8示出了頭架中回轉夾持機構中央的頭架頂尖；

圖9是配重系統的結構示意圖；

1-底座，2-床身，3-測量機構，31-z軸驅動拖板，32-x軸測量部件，321-測量頭，322-圓柱形氣浮導軌，323-直線電機，324-光柵尺讀數頭，325-電容傳感器，33-測量補償標尺，34-z軸氣浮拖板，35-柔性連接件，4-尾架，41-聯軸器，42-夾持驅動絲杠，43-尾架拖板，44-尾架轉臺，5-頭架，51-回轉夾持機構，52-頭架頂尖，53-頭架轉臺，54-調心調平機構，6-測量氣浮導軌，7-夾持氣浮導軌，8-測量驅動電機，9-測量驅動絲杠，10-第一導向滑輪，11-夾持驅動電機，12-第二導向滑輪，13-待測工件，14-第一鋼絲繩，15-第一配重框，16-第二鋼絲繩，17-第二配重框。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如圖1所示是本發明一種軸類零件輪廓測量儀的較佳實施例的總體結構示意圖，其中鑄鐵制基座1上置有床身2。床身2為人造花崗巖材料制成，基座1和床身2之間通過調平墊鐵分隔，通過調節每一個調平墊鐵的調平機構實現對機床進行調平。

床身2上端固定有測量驅動電機8，其工作時測量驅動絲杠9轉動。測量驅動絲杠9可采用精度高、運行阻力小的滾珠絲杠。z軸驅動拖板34由測量驅動絲杠9驅動上升和下降，即實際上z軸驅動拖板34由測量驅動電機8驅動上升和下降。

床身2豎直地固定有平行的測量氣浮導軌6。關于氣浮導軌，它基于氣體動靜壓效應，實現無摩擦和無振動的平滑移動，具有運動精度高、清潔無污染等特點；因其誤差均化作用，可用比較低的制造精度來獲得較高的導向精度，通常與伺服驅動、傳感器組成閉環系統，實現高精度位移定位，在測量儀器、精密機械中得到了廣泛的應用。

氣浮導軌6對應于測量機構3設置，用于對測量機構3的上升下降進行導向。測量機構3包括z軸驅動拖板31和z軸氣浮拖板34兩大部分，z軸氣浮拖板34通過柔性連接件35連接于z軸驅動拖板31的下方。測量機構3的后側視圖如圖2；柔性連接件35的結構如圖3所示，圖3示出了其主視圖和左視圖。

其中，柔性連接件35的中段為具有柔性連接性能的部分，其切有正交的緩沖切槽，由線切割工藝制成，完成后具有行列排布的絲狀聯結結構，從而具有一定的柔性，從不同方向柔性緩沖，消耗掉測量驅動絲杠9傳動過程中產生的變形和偏擺、扭動等各項誤差，提高z軸氣浮拖板34上升、下降中的運動精度，且成本較低。在本例中其具有10行10列共計100個緩沖切槽。緩沖切槽的數量可根據實際需要增加或減少，數量愈多、效果愈佳，依據工藝能力及經濟性權衡確定切槽數量，行、列數也可不一致，其至少有一個存在即可起到柔性連接的功能。

x軸測量部件32的主視圖和俯視圖分別如圖4和圖5所示，主要包括測量頭321、圓柱形氣浮導軌322、直線電機323、光柵尺讀數頭324和電容傳感器325。電容傳感器325為三角形排列的三組設置，測量x軸測量部件32與測量補償標尺33間的間隙變化，以反映大拖板部件在運行中產生的滾動、偏擺誤差，以便于在數據處理過程中通過折算消除。作為整個測量系統中非常關鍵的部分，x軸測量部件32通過螺釘安裝在z軸氣浮拖板34底板上。由于結構設計及工藝等方面的限制，x軸測量部件32光柵尺的安裝位置和測量頭321不符合阿貝原理，存在阿貝誤差。經過多次反復試驗，技術人員最終采用了雙光柵尺結構，即利用阿貝誤差的對稱性原理，在測量頭321的兩側對稱安裝有兩個直線光柵尺，則在不考慮傳感器在精度上輕微的安裝偏差的情況下，對稱分布的雙位移傳感器理論上可以完全消除阿貝誤差。

和測量氣浮導軌6類似，圓柱形氣浮導軌322為測量頭321提供無摩擦和無振動的平滑移動。測量頭321沿圓柱形氣浮導軌322的移動由直線電機323驅動。直線電機323主要功能是驅動測量頭321實現水平方向的移動，由直線電機直接驅動、沒有中間的傳動部件，有效消除了傳動環節機械滯后和絲杠螺距帶來的誤差，能夠提高測量頭321的運動精度，并且直線電機驅動對控制系統的要求相對簡單。而圓柱形氣浮導軌322的氣體靜壓導軌形式能克服機械接觸帶來的不利影響，具有精度保持性好、壽命長的優點。

為降低x軸測量部件32的重量，x軸測量部件32的固定連接件均采用焊接結構，采用加強筋提高零件剛性，經時效處理等工藝后得到好的穩定性和剛度。

測量氣浮導軌6旁、床身2上設有高精度制造和安裝的測量補償標尺33，作為z軸氣浮拖板34傾斜誤差補償的主要參照物。測量補償標尺33作為靜態參考基準，是測量儀x軸方向上的硬件零點。測量補償標尺33通過安裝座和螺釘固定安裝在床身2上。

平行于測量氣浮導軌6，還設置有夾持氣浮導軌7，其對尾架4進行導向。尾架4由夾持驅動電機驅動上升和下降，方案與測量機構3的驅動方式相同。圖6示出了尾架4的結構。

如圖6，類似于z軸驅動拖板31，尾架4由夾持驅動絲杠42的正反轉動而帶動尾架拖板43的上下運動。夾持驅動絲杠42也為精度高、運行阻力小的滾珠絲杠，夾持驅動絲杠42由夾持驅動電機11通過聯軸器41驅動。尾架拖板43連有可轉動的尾架轉臺44，尾架轉臺44具有頂尖，用于為待測工件定位。伺服電機驅動、絲杠傳動的控制方式既能提高尾架拖板43的運動精度，同時又能減少工人的勞動工作量。

配合尾架4使用的還有如圖7所示的頭架5。頭架5主要包括回轉夾持機構51、頭架轉臺53和調心調平機構54三部分。回轉夾持機構51為雙氣缸浮動的自平衡夾持機構，其結構可參考申請號為cn201420843130.7的專利文本所公開的雙氣缸浮動的自平衡夾持回轉平臺。回轉夾持機構51中央對應于尾架4的頂尖，安裝頭架頂尖52，如圖8。頭架轉臺53通過無刷電機驅動并設置有高精度圓光柵，以實現待測工件的回轉角度的高精度分度功能。頭架轉臺53連接夾持回轉機構51和調心調平機構54。調心調平機構54設置的目的在于，保證夾持有被測工件的夾持回轉機構51運行平穩，不產生側向傾斜；具體結構為，分為上下兩層，下層結構通過水平正交方向的雙向滑軌實現頭架轉臺53的調心功能，上層采用三點支撐結構，通過調節同一平面內的三個調節螺釘實現頭架轉臺53的調平功能，上層與下層結構之間通過過渡板和四個可調整的螺釘實現連接。

在以上結構的基礎上，為進一步增加z軸氣浮拖板34和尾架拖板43的運動精度，本例的軸類零件輪廓測量儀在其頂部還包括配重系統，其結構如圖9所示。結合圖1中的軸類零件輪廓測量儀，第一配重框15與測量機構3通過第一鋼絲繩14連接，第一鋼絲繩14跨過第一導向滑輪10實現拉力方向的改變；第二配重框17與尾架4通過第二鋼絲繩16連接，第二鋼絲繩16跨過第二導向滑輪12實現拉力方向的改變。第一配重框15和第二配重框17內根據實際調試情況，調整放入其中的配重塊的質量，分別與測量機構3和尾架4達到質量平衡，從而使軸類零件輪廓測量儀的運行更為平穩，提高了電機的運動性能和氣體靜壓導軌的剛性。

以上是本例提供的軸類零件輪廓測量儀結構，為實現全自動測量，技術人員最終采用了全數控軸的設計。以下詳述該軸類零件輪廓測量儀在測量中的應用。

將鑄鐵基座1放置于恒溫恒濕車間單獨的隔震地基上，人造花崗巖床身2通過調平墊鐵放置于基座1上。將系統初始化：控制系統控制夾持驅動電機11驅動尾架4向上運動，并且直線電機323驅動測量頭321向著遠離尾架4、頭架5連線的方向運動，便于放入待測量的軸類零件。機械手夾持并移動待測工件13至預定位置，控制系統發送控制指令，使夾持驅動電機11驅動尾架4運動，尾架轉臺44安裝的頂尖夾緊工件。回轉夾持機構51用頂尖中心定位，并由柔性的自平衡夾持機構輔助固定工件相位，在控制系統的指令下實現對待測工件13的穩定夾持，保證零件回轉時的測量精度。在待測工件13位置調整到位后，向回轉夾持機構51的控制系統發送夾緊信號，則回轉夾持機構51將待測工件13夾緊。在控制系統的控制下，測量驅動電機8驅動測量機構3上下運動，至測量頭321的高度到達對應待測工件13需要測定的位置的高度；直線電機323驅動測量頭321在待測工件13的徑向移動，光柵尺讀數頭324進行讀數，從而該軸類零件輪廓測量儀可實現零件長度方向上全尺寸的徑向測量，且由于引入了全數控軸的設計，測量過程可實現全自動化及多工件連續測量，無需手動操作。測量過程中回轉夾持機構51可在控制系統的指令下使待測工件13繞其軸線回轉。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。