一種檢測(cè)用萬(wàn)能精密工作臺(tái)的設(shè)計(jì)*

鄭立京，謝澤兵，阮 毅，麥麗菊

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，多軸數(shù)控加工中心的普及，越來(lái)越多的產(chǎn)品或零部件往復(fù)雜化和精密化方向發(fā)展，如圖1～6 所示的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、軸輪、渦輪傳動(dòng)副、渦輪葉片、磁懸浮風(fēng)機(jī)葉輪、口罩機(jī)輥模等由多軸聯(lián)動(dòng)加工中心一次性加工出來(lái)的零部件或產(chǎn)品，其不但外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且形位、尺寸精度要求很高。

在產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域，此類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且精度要求高的零部件或產(chǎn)品的檢測(cè)成為一個(gè)難題。高精度檢測(cè)通常需要用到三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x[1-3]、影像測(cè)量?jī)x等高精密的檢測(cè)儀器，但一般的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，只具備水平面上的三維（XYZ軸）形位、尺寸檢測(cè)，影像測(cè)量?jī)x僅具備水平面上的二維（XY軸）形位、尺寸檢測(cè)，對(duì)著發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、軸輪、渦輪傳動(dòng)副、渦輪葉片、磁懸浮風(fēng)機(jī)葉輪等[4-5]，具有反向傾角、多向軸孔、多面體、多葉輪等多維度的形位、尺寸精度要求的零部件或產(chǎn)品則無(wú)法檢測(cè)，或無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次操作將所有形位、尺寸全部檢測(cè)到。現(xiàn)行技術(shù)下，要檢測(cè)此類零部件或產(chǎn)品，唯有在測(cè)量?jī)x上安裝五軸測(cè)座等附加配件，但此類測(cè)座不僅要測(cè)量?jī)x器設(shè)備要具備配置條件，還均存在價(jià)格昂貴、使用保養(yǎng)要求高和實(shí)際利用率低等缺點(diǎn)，難以普及推廣應(yīng)用。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋

圖2 軸輪

圖3 渦輪傳動(dòng)副

圖4 渦輪葉片

圖5 磁懸浮風(fēng)機(jī)葉輪

圖6 口罩機(jī)輥模

針對(duì)越來(lái)越多的高精度，高復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件或產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)檢驗(yàn)需求，及當(dāng)前存在的五軸測(cè)座等附加配件的昂貴、使用保養(yǎng)要求高和實(shí)際利用率低等問(wèn)題，急需研究開發(fā)一種精密工作臺(tái)及應(yīng)用方法，以解決具有高精度、高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，在普通三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、影像測(cè)量?jī)x等檢測(cè)儀器上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次性，全軸向、全尺寸、多維度進(jìn)行檢測(cè)檢驗(yàn)的難題。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)組成

本文旨在結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件及普通測(cè)量?jī)x器設(shè)備特點(diǎn)，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，操作簡(jiǎn)單、方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用且維護(hù)方便，可用于各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高的精密工件的檢驗(yàn)檢測(cè)[6-8]，以實(shí)現(xiàn)一次裝夾，進(jìn)行各種角度、各種方向、多維度檢測(cè)的檢測(cè)用萬(wàn)能精密工作臺(tái)。同時(shí)，該萬(wàn)能精密工作臺(tái)可廣泛應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、影像測(cè)量?jī)x等各種設(shè)備及場(chǎng)合，以使三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在不增加分度測(cè)座的附加配件條件下，進(jìn)行五軸全向精密檢測(cè)，使得影像測(cè)量?jī)x具備三坐標(biāo)精密檢測(cè)能力。此外，萬(wàn)能精密工作臺(tái)還可擴(kuò)展企業(yè)其他檢測(cè)儀器設(shè)備的檢驗(yàn)?zāi)芰蜋z驗(yàn)精度，應(yīng)用于其他各種幾何結(jié)構(gòu)測(cè)量。

為實(shí)現(xiàn)研究目的，設(shè)計(jì)一個(gè)由基座組件、擺角機(jī)構(gòu)組件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件組成的萬(wàn)能精密工作臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中，擺角機(jī)構(gòu)組件設(shè)置在基座組件之上，旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件設(shè)置在擺角機(jī)構(gòu)組件之上，旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件可在水平方向旋轉(zhuǎn)，擺角機(jī)構(gòu)組件可在垂直于水平面的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)擺角[9-12]。擺角機(jī)構(gòu)組件動(dòng)作如圖8所示。

擺角機(jī)構(gòu)組件與基座組件之間通過(guò)鉸鏈連接，同時(shí)設(shè)置有角度千分尺，以實(shí)現(xiàn)角度的精密定位。為進(jìn)一步增強(qiáng)功能，擺角機(jī)構(gòu)組件在水平方向上縱向和橫向設(shè)置兩個(gè)精密螺桿，精密螺桿一端與連接塊側(cè)面活動(dòng)連接，另一自由端從擺角機(jī)構(gòu)組件側(cè)壁部伸出來(lái)。在組件內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)伺服電機(jī)，一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件沿水平橫向移動(dòng)，另一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件沿水平縱向移動(dòng)，同時(shí)還可以手動(dòng)操作精密螺桿，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)兩個(gè)精密螺桿向內(nèi)或向外位移[13-15]。擺角機(jī)構(gòu)組件動(dòng)作如圖8所示。

圖7 萬(wàn)能精密工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖8 擺角機(jī)構(gòu)組件動(dòng)作示圖

旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的底面和擺角機(jī)構(gòu)組件的頂面，通過(guò)渦輪軸連接，可實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。連接軸由一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)伺服電機(jī)可以精密地定位旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的旋轉(zhuǎn)角度。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件上設(shè)置了角度千分尺，以便可以直觀地確定旋轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際作業(yè)角度。旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的頂面設(shè)置有T 形槽，可以用于被測(cè)工件的固定，及加裝其他裝夾輔助裝置。

2 實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證分析

檢測(cè)時(shí)，待測(cè)工件固定于旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的頂面，萬(wàn)能精密工作臺(tái)的水平方向和垂直方向組合形成的檢測(cè)空間，可完成待測(cè)工件在檢測(cè)空間內(nèi)任意維度、任意軸向和任意角度的檢測(cè)需求。下面對(duì)本萬(wàn)能精密工作臺(tái)的應(yīng)用操作進(jìn)行間單的說(shuō)明。

該萬(wàn)能精密工作臺(tái)主要由基座組件、設(shè)置在基座組件上的擺角機(jī)構(gòu)組件以及設(shè)置在擺角機(jī)構(gòu)組件上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件頂部設(shè)置T 形槽，用于固定工件，旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件底部通過(guò)精密渦輪軸裝置連接擺角機(jī)構(gòu)組件的頂部，使得旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件在水平方向可以360°旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件底部精密渦輪軸由一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)伺服電機(jī)可以精密地定位旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的旋轉(zhuǎn)角度。基座組件和擺角機(jī)構(gòu)組件之間通過(guò)鉸鏈連接，在垂直于水平面的平面內(nèi)以鉸鏈軸為中心軸帶動(dòng)擺角機(jī)構(gòu)組件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)擺角，擺角范圍為0°～180°。

工作時(shí)，精密工作臺(tái)的基座組件底部固定在檢測(cè)儀器的作業(yè)臺(tái)面上，精密工作臺(tái)的上方為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或影像測(cè)量?jī)x的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，擺角機(jī)構(gòu)組件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件之間可以分別動(dòng)作，也可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)動(dòng)作。該精密工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向組合形成待測(cè)工件的檢測(cè)空間，完成待測(cè)工件在檢測(cè)空間內(nèi)任意維度、任意軸向和任意角度的放置，以迎合三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在XYZ軸三維型位僅能直線路徑的對(duì)待測(cè)工件放置狀態(tài)的檢測(cè)要求，還可以迎合影像測(cè)量?jī)x僅能水平面上XY軸二維型位對(duì)工件放置狀態(tài)的檢測(cè)要求，從而達(dá)到對(duì)各種發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、軸輪、渦輪傳動(dòng)副、渦輪葉片、磁懸浮風(fēng)機(jī)葉輪、口罩機(jī)輥模等各精密工件的檢驗(yàn)檢測(cè)。

擺角機(jī)構(gòu)組件在水平方向上縱向和橫向設(shè)置的2 個(gè)精密螺桿機(jī)構(gòu)，2 個(gè)精密螺桿一端與連接塊側(cè)面活動(dòng)連接，另一自由端從擺角機(jī)構(gòu)組件側(cè)壁部伸出來(lái)。在組件內(nèi)部設(shè)置有2個(gè)伺服電機(jī)，1臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件沿水平橫向移動(dòng)，另1 臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件沿水平縱向移動(dòng)。同時(shí)，精密螺桿還可以手動(dòng)操作，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)2 個(gè)精密螺桿向內(nèi)或向外的位移，從而帶動(dòng)連接塊連接的旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件進(jìn)行位移。

工作時(shí)，先通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的0°～360°任意角旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和擺角機(jī)構(gòu)組件圍繞鉸鏈軸的0°～180°任意角擺動(dòng)動(dòng)作，完成待測(cè)工件放置的大動(dòng)作，再通過(guò)人工旋動(dòng)2 個(gè)精密螺桿機(jī)的自由端使得旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件在縱向和橫向的合力方向上微量移動(dòng)。

基座組件與擺角機(jī)構(gòu)組件為鉸鏈連接，同時(shí)設(shè)置有角度千分尺。擺角機(jī)構(gòu)組件側(cè)壁上設(shè)置的角度千分尺，用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件在垂直于水平面的平面內(nèi)翻轉(zhuǎn)的角度，以實(shí)現(xiàn)角度的精密定位。鉸鏈連接可以使基座組件與擺角機(jī)構(gòu)組件緊密可靠地成為一體，且整體結(jié)構(gòu)緊湊。此外，使用該萬(wàn)能精密工作臺(tái)時(shí)，為放置并固定在檢測(cè)儀器的作業(yè)臺(tái)面上，例如三坐測(cè)量?jī)x的工作臺(tái)，其基座底部較寬，便于采用壓板固定在檢測(cè)儀器的作業(yè)臺(tái)面上，從而保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件以及工件的穩(wěn)定性。

圖9 旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件動(dòng)作示圖

工作時(shí)，被測(cè)工件的安裝固定，可以利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的頂面設(shè)置的T 形槽固定被測(cè)工件，對(duì)一些特殊的工件或因檢測(cè)需要，無(wú)法直接利用T 形槽進(jìn)行安裝固定的可以利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件的頂面設(shè)置的T形槽加裝其他裝夾輔助裝置，再用裝夾輔助裝置安裝固定被測(cè)工件。

該萬(wàn)能精密工作臺(tái)的擺角機(jī)構(gòu)組件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)組件組成可以分別動(dòng)作，也可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、位移動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)工作在空間上多個(gè)維度、任意軸向、任意角度的精密測(cè)量作業(yè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該萬(wàn)能精密工作臺(tái)結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，操作簡(jiǎn)單、方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、維護(hù)方便，可用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、軸輪、渦輪傳動(dòng)副、渦輪葉片、磁懸浮風(fēng)機(jī)葉輪、口罩機(jī)輥模等由多軸聯(lián)動(dòng)加工中心一次性加工出來(lái)的型位尺寸精度高的，且外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件或產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)一次裝夾，進(jìn)行各種角度、各種方向、各個(gè)維度的檢測(cè)，可廣泛應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、影像測(cè)量?jī)x等各種設(shè)備及場(chǎng)合，可在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等不增加附加件的條件下，進(jìn)行五軸全向精密檢測(cè)，使影像測(cè)量?jī)x具備三坐標(biāo)精密檢測(cè)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的萬(wàn)能精密工作臺(tái)具有在空間上任意維度、任意軸向、任意角度的精密測(cè)量作業(yè)能力，同時(shí)結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，操作簡(jiǎn)單、方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用且維護(hù)方便，可用于各種形位尺寸精度高的，且外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件或產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)一次裝夾，進(jìn)行各種角度、各種方向、各個(gè)維度的檢測(cè)。該萬(wàn)能精密工作臺(tái)可廣泛應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、影像測(cè)量?jī)x等各種設(shè)備及場(chǎng)合，使普通三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x具備多軸全向精密檢測(cè)的能力，也使得影像測(cè)量?jī)x具備三坐標(biāo)精密檢測(cè)的能力，極大地?cái)U(kuò)展了檢測(cè)儀器設(shè)備的檢驗(yàn)?zāi)芰蜋z驗(yàn)精度，同時(shí)也可應(yīng)用于其他各類幾何測(cè)量方法，有利于擴(kuò)展企業(yè)現(xiàn)有儀器設(shè)備的功能，提高檢測(cè)能力，促進(jìn)儀器設(shè)備更加高效、高質(zhì)、充分利用，節(jié)約成本，提高效率。同時(shí)，根據(jù)研究結(jié)果，可為企業(yè)拓展更多業(yè)務(wù)范圍，增加更多檢測(cè)能力，以及更好地把握檢驗(yàn)精度，更好地服務(wù)各類項(xiàng)目，具有廣泛的普及推廣價(jià)值。本研究已申請(qǐng)國(guó)家專利。