專利名稱：自動(dòng)換刀機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械手臂的空間運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤測(cè)量領(lǐng)域，是利用二維位置敏感探測(cè)器構(gòu)成的三維測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的非接觸式在線測(cè)量。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，以加工中心為代表的高檔數(shù)控機(jī)床的需求量與日俱增，作為加工中心的關(guān)鍵功能部件一大型刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)(Automatic ToolChanger，簡(jiǎn)稱ATC)的研發(fā)受到國(guó)內(nèi)外政府、企業(yè)的高度重視。ATC作為加工中心刀庫(kù)的重要組成部分，是刀庫(kù)與機(jī)床主軸的中間橋梁，主要功能是將加工使用刀具自動(dòng)裝夾到主軸上，并把主軸上不再使用的刀具卸載放回刀庫(kù)中。ATC的應(yīng)用極大的提高了機(jī)床的加工效率，使一次裝夾完成多道工序或全部工序成為可能，已成為現(xiàn)代加工中心必不可少的功能 部件，自發(fā)明至今已經(jīng)形成以轉(zhuǎn)塔式和刀庫(kù)式為主的多種類型的成品。大型刀庫(kù)式自動(dòng)換刀系統(tǒng)儲(chǔ)刀能力強(qiáng)，適合復(fù)雜多工序加工場(chǎng)合，成為目前制造業(yè)的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾年的創(chuàng)新、研發(fā)和制造，國(guó)內(nèi)外知名機(jī)床生產(chǎn)廠商都已形成了具有一定規(guī)模的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)大型刀庫(kù)自動(dòng)換刀系統(tǒng)，但是對(duì)于自動(dòng)換刀系統(tǒng)的可靠性檢測(cè)，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械行業(yè)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都只是一些總體要求，沒(méi)有規(guī)范的檢測(cè)方法和可以量化的設(shè)備。ATC具有啟動(dòng)頻繁、工作動(dòng)作多、傳遞機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)精度要求高及測(cè)量空間狹窄等特點(diǎn)，導(dǎo)致其加工運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤測(cè)量很困難。對(duì)于目前廣泛使用的弧面凸輪式ATC來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量結(jié)果可以有效的反映出凸輪的制造誤差和裝配誤差對(duì)ATC定位精度的影響程度，對(duì)刀庫(kù)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的可靠性檢測(cè)具有重大意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤測(cè)量的研究并不多，主要集中在簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方面，如秦威的《基于CCD技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)研究》，測(cè)量目標(biāo)處于二維空間內(nèi)，測(cè)量精度要求較低，而ATC機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡是三維空間內(nèi)的復(fù)雜曲線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺欠，由于加工中心ATC機(jī)構(gòu)復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)凸輪加工精度難于檢測(cè)，裝配精度對(duì)終端運(yùn)動(dòng)誤差的影響難于評(píng)價(jià)，整體結(jié)構(gòu)的封閉性增加了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)難度，故形成有效的可靠性檢測(cè)方法困難。本發(fā)明結(jié)合位置敏感探測(cè)器(Position Sensory Device,簡(jiǎn)稱PSD)和雙目視覺(jué)三維測(cè)量原理發(fā)明了一種基于兩個(gè)二維PSD相機(jī)的非接觸式三維測(cè)量方法和裝置。根據(jù)所測(cè)量的機(jī)械手臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)研究自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障狀態(tài)，并形成一種有效的刀庫(kù)換刀機(jī)構(gòu)可靠性檢測(cè)方法。本發(fā)明采用PSD提取目標(biāo)光點(diǎn)坐標(biāo)的方式，響應(yīng)速度快，滿足實(shí)時(shí)在線測(cè)量要求；通過(guò)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡可以判斷換刀過(guò)程中的定位精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為刀庫(kù)可靠性檢測(cè)提供量化方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)方案是一種自動(dòng)換刀機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法，該方法是一種基于二維PSD的非接觸式三維在線測(cè)量方法。作為被測(cè)目標(biāo)的光源安裝在被測(cè)量ATC機(jī)械手臂上，測(cè)量原理如圖I所示，光源通過(guò)透鏡投射在由兩個(gè)位置敏感探測(cè)器組成的PSD相機(jī)的二維感應(yīng)屏上形成光斑，兩個(gè)PSD相機(jī)在光斑的激發(fā)下各自輸出二維坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器后輸出與坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算機(jī)通過(guò)電壓采集卡將相應(yīng)信號(hào)采集保存，由兩組采集到的二維坐標(biāo)值反算出被測(cè)光源的三維坐標(biāo)值。最后，依據(jù)高頻采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出一系列離散點(diǎn)構(gòu)成機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡。I)在三維測(cè)量之前要獲得PSD相機(jī)的高精度的內(nèi)外參數(shù)，測(cè)量方法如下設(shè)被測(cè)目標(biāo)光源所在的坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系W，投射光斑所在坐標(biāo)系為PSD坐標(biāo)系S，鏡頭坐標(biāo)系L、圖像坐標(biāo)系I、PSD坐標(biāo)系S參照?qǐng)D2所示，設(shè)世界坐標(biāo)系W下點(diǎn)P (Xff,Yw，Zff)，其對(duì)應(yīng)的投射點(diǎn)P’在PSD坐標(biāo)系S下的坐標(biāo)為(u，v)，二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)換刀機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法，其特征在于該方法是一種基于二維PSD的非接觸式三維在線測(cè)量方法，作為被測(cè)目標(biāo)的光源安裝在被測(cè)量ATC機(jī)械手臂上，光源通過(guò)透鏡投射在由兩個(gè)位置敏感探測(cè)器組成的PSD相機(jī)的二維感應(yīng)屏上形成光斑，兩個(gè)PSD相機(jī)在光斑的激發(fā)下各自輸出二維坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器后輸出與坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算機(jī)通過(guò)電壓采集卡將相應(yīng)信號(hào)采集保存，由兩組采集到的二維坐標(biāo)值反算出被測(cè)光源的三維坐標(biāo)值，最后，依據(jù)高頻采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出一系列離散點(diǎn)構(gòu)成機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡；具體步驟如下 I)PSD相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的測(cè)量 設(shè)被測(cè)目標(biāo)光源所在的坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系W，投射光斑所在坐標(biāo)系為PSD坐標(biāo)系S，設(shè)世界坐標(biāo)系W下某點(diǎn)P (Xff, Yff, Zff)，其對(duì)應(yīng)的投射點(diǎn)P’在PSD坐標(biāo)系S下的坐標(biāo)為P’(U，V) , _■者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
2.如權(quán)利要求I所述的一種自動(dòng)換刀機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法，其特征在于該方法采用的測(cè)量裝置是以兩個(gè)PSD相機(jī)為核心具有多自由度的測(cè)量裝置；測(cè)量裝置中在豎直方向、水平方向有位移調(diào)整機(jī)構(gòu)，還有旋轉(zhuǎn)角度及俯仰的調(diào)整機(jī)構(gòu)，裝置的具體結(jié)構(gòu)如下 底座(23)的立板上加工有螺栓孔，帶斷電保護(hù)的Z軸電控平臺(tái)(28)用螺栓固定在立板上，豎直方向的位移調(diào)整機(jī)構(gòu)是由電機(jī)(17)通過(guò)滾珠絲杠(18)帶動(dòng)承載工作臺(tái)(24)在豎直方向移動(dòng)，通過(guò)一組螺栓(22)在滑動(dòng)承載工作臺(tái)(24)上安裝兩個(gè)高度差可調(diào)的滑軌(21)，滑軌的頂部的水平燕尾導(dǎo)軌與小托板(20)配合，小托板(20)上的PSD相機(jī)在水平方向的位置通過(guò)該水平方向位移調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整；調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(25)和調(diào)整俯仰角角度的位移平臺(tái)(26)依次裝配到小托板(20)上，左PSD相機(jī)(27)和右PSD相機(jī)(19)分別安裝在角位移平臺(tái)(26)的工作臺(tái)上； PSD相機(jī)整體結(jié)構(gòu)由聚焦部分、位置敏感探測(cè)器、微調(diào)部分和連接框架四部分組成；聚焦部分使用的是工業(yè)定焦鏡頭(29)，調(diào)節(jié)鏡頭中的光圈改變PSD感應(yīng)屏上投影光斑的大小和光度，工業(yè)鏡頭(29)與L型連接板(30)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)C 口連接，位置敏感探測(cè)器(31)采用 10針通訊電纜與信號(hào)處理器連接，位置敏感探測(cè)器(31)安裝在手動(dòng)微進(jìn)給平臺(tái)(35)的工作臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整微進(jìn)給平臺(tái)(35)可以調(diào)節(jié)位置敏感探測(cè)器(31)與工業(yè)鏡頭(29)之間的距離，L型連接板(30)和定位轉(zhuǎn)接板(34)構(gòu)成了連接框架部分，位置敏感探測(cè)器(31)通過(guò)定位銷(32)和位置敏感探測(cè)器(31)底面的螺紋定位并夾緊在定位轉(zhuǎn)接板(34)，定位轉(zhuǎn)接板(34)通過(guò)內(nèi)六角螺釘(33)固定在一維手動(dòng)平移臺(tái)(35)的工作臺(tái)上。
全文摘要
本發(fā)明一種自動(dòng)換刀機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量方法和裝置屬于加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械手臂的空間運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤測(cè)量領(lǐng)域。該方法是一種基于二維PSD的非接觸式三維在線測(cè)量方法，作為被測(cè)目標(biāo)的光源安裝在被測(cè)量ATC機(jī)械手臂上，光源通過(guò)透鏡投射在由兩個(gè)位置敏感探測(cè)器組成的PSD相機(jī)的二維感應(yīng)屏上形成光斑，兩個(gè)PSD相機(jī)在光斑的激發(fā)下各自輸出二維坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器后輸出與坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算機(jī)通過(guò)電壓采集卡將相應(yīng)信號(hào)采集保存。該方法響應(yīng)速度快，滿足實(shí)時(shí)在線測(cè)量要求。通過(guò)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡可以判斷換刀過(guò)程中的定位精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為刀庫(kù)可靠性檢測(cè)提供量化方法。
文檔編號(hào)B23Q3/155GK102699733SQ20121019289
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者劉巍, 盧曉紅, 王福吉, 賈振元, 韓鵬卓 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)