一種測量直線導軌精度的裝置及非接觸式測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量直線導軌精度的裝置及非接觸式測量方法，所述裝置包括測量架體、設置在測量架體上的測量傳感器和高精度平尺，所述高精度平尺和被測導軌均穿過測量架體，測量傳感器的數(shù)量為七個，其中第一測量傳感器和第二測量傳感器分別對準高精度平尺的頂面和側(cè)面，第三測量傳感器對準被測導軌的基準側(cè)面，第四測量傳感器對準被測導軌的基準底面，第五測量傳感器對準被測導軌的非基準側(cè)面，第六測量傳感器和第七測量傳感器同時對準被測導軌的頂面，該兩個測量傳感器關(guān)于被測導軌的中心面對稱。本發(fā)明采用絕對測量與相對測量相結(jié)合，并使用非接觸式測量傳感器獲得高精度的測量值，具有通用性好，效率高等特點。
【專利說明】
一種測量直線導軌精度的裝置及非接觸式測量方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明屬于直線導軌測量領域，特別是一種測量直線導軌精度的裝置及非接觸式 測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，直線導軌精度測量大多采用手工測量或接觸式傳感器進行測量，手工測量 導軌滾道平行度時，將導軌裝夾在測量平板的夾具上，將表座與導軌側(cè)基準面和導軌安裝 平面對齊，并將表頭對準導軌滾道面上，然后移動表座進行測量，測量的最大和最小值的差 值即為導軌滾道平行度誤差，該方法需要繁瑣的裝夾工作，對試驗員素質(zhì)要求高且測量結(jié) 果重復性差；中國發(fā)明公開號CN103438839A，名稱為:一種直線導軌精度自動測量裝置及其 測量方法，該專利介紹了使用氣動接觸式傳感器測量導軌精度，該傳感器是在接觸式傳感 器上加裝了氣動部件，使其在非工作期間不接觸被測物體，測量時加裝了該種傳感器的標 準滑塊以一定的距離間隔移動，實現(xiàn)對被測導軌高度和平行度的測量，但是該方法測量不 同型號導軌時需要制作相應的標準導軌和標準滑塊，增加經(jīng)濟成本和維護費用。
[0003] 綜上所述，現(xiàn)階段使用的各種導軌精度測量儀器覆蓋的測量項目少，尤其是針對 滾道相關(guān)精度的測量較少，測量效率與測量精度、重復性都有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種測量滾動直線導軌精度的裝置及非接觸式測量方法。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種測量直線導軌精度的裝置，包括測量架 體、設置在測量架體上的測量傳感器和高精度平尺，所述高精度平尺和被測導軌均穿過測 量架體，測量傳感器的數(shù)量為七個，其中第一測量傳感器和第二測量傳感器分別對準高精 度平尺的頂面和側(cè)面，第三測量傳感器對準被測導軌的基準側(cè)面，第四測量傳感器對準被 測導軌的基準底面，第五測量傳感器對準被測導軌的非基準側(cè)面，第六測量傳感器和第七 測量傳感器同時對準被測導軌的頂面，該兩個測量傳感器關(guān)于被測導軌的中心面對稱。
[0006] -種基于上述裝置的非接觸式測量方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、構(gòu)建坐標系，具體為:沿被測導軌長度方向為X軸，沿被測導軌寬度方向為Y 軸，沿與被測導軌底面基準垂直方向為Z軸；
[0008] 步驟2、測量平臺相對被測導軌運動，在運動過程中測量傳感器實時采集被測導軌 的數(shù)據(jù)。
[0009] 步驟3、對測量傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分離處理，將數(shù)據(jù)分為沿X軸運動時的測 量數(shù)據(jù)和沿Z軸運動時的測量數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟4、對測量傳感器的測量數(shù)據(jù)進行運動補償；
[0011] 步驟5、對第三測量傳感器和第五測量傳感器沿Z軸運動時的測量數(shù)據(jù)進行處理， 獲得導軌截面上滾道圓弧的半徑和圓心；
[0012] 步驟6、計算被測導軌精度誤差，具體包括滾道半徑、滾道平行度、滾道直線度、側(cè) 面基準直線度、底面基準直線度、等高、等寬和扭曲。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：1)本發(fā)明的裝置進行測量時，無需用多個 螺栓固定，直接放置利用凸輪自動固定即可，試驗效率高，安裝方便，某種程度上減小了安 裝成本;2)本發(fā)明的測量裝置在運動過程中能利用多個傳感器測量數(shù)據(jù)并處理分析，是動 態(tài)精度測量，更符合實際測量情況;3)本發(fā)明在進行測試時操作簡單，效率高，重復性強，經(jīng) 濟實用性強，且利于推廣;4)通過激光位移傳感器的及時測量，反應了被測導軌全面且又精 準的尺寸數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)連續(xù)可靠;5)本發(fā)明的測量方式與國際接軌，更加先進可靠。
【附圖說明】
[0014] 圖1為測量滾動直線導軌精度的裝置的傳感器布局圖。
【具體實施方式】
[0015] 結(jié)合圖1，一種測量直線導軌精度的裝置，包括測量架體1、設置在測量架體上的測 量傳感器和高精度平尺3,所述高精度平尺3和被測導軌4均穿過測量架體1，測量傳感器的 數(shù)量為七個，其中第一測量傳感器2-1和第二測量傳感器2-2分別對準高精度平尺3的頂面 和側(cè)面，第三測量傳感器2-3對準被測導軌4的基準側(cè)面，第四測量傳感器2-4對準被測導軌 4的基準底面，第五測量傳感器2-5對準被測導軌4的非基準側(cè)面，第六測量傳感器2-6和第 七測量傳感器2-7同時對準被測導軌4的頂面，該兩個測量傳感器關(guān)于被測導軌4的中心面 對稱。
[0016] 所述七個測量傳感器位于同一平面上。
[0017] 所述被測導軌4與高精度平尺3相互平行。
[0018] 所述測量架體4運動時的位置Xt通過位置傳感器獲得，其中t為時間變量。
[0019] -種基于上述裝置的非接觸式測量方法，包括以下步驟：
[0020] 步驟1、構(gòu)建坐標系，具體為:沿被測導軌長度方向為X軸，沿被測導軌寬度方向為Y 軸，沿與被測導軌底面基準垂直方向為Z軸；
[0021] 步驟2、測量平臺相對被測導軌4運動，在運動過程中測量傳感器實時采集被測導 軌4的數(shù)據(jù)。
[0022] 測量平臺相對被測導軌4運動時，包括沿X軸的直線運動和沿Z軸的直線運動，上述 兩軸運動相互獨立，每當沿X軸運動到設定距離Si = i ? L時，停止該方向的運動，啟動沿Z軸 的往返運動，行程為2h，如此運動至到達設定行程為止;其中L為單位移動間隔，h為被測導 軌高度，（i = 1，2. . .m-1)，m為間隔數(shù);其中第一測量傳感器2-1、第二測量傳感器2-2、第三 測量傳感器2-3、第四測量傳感器2-4、第五測量傳感器2-5、第六測量傳感器2-6和第七測量 傳感器2-7對準的測量點分別為？ 1、？2、？3、？4、？5、？6、？7;7個測量傳感器實時記錄測量距離， 分別為Sl{si(Xt，Zt) }、S2{s2(Xt，Zt) }、S3{s3(Xt，Zt) }、S4{s4(Xt，Zt) }、S5{s5(Xt，Zt) }、S6{s6(Xt, Zt) }、S7{s7(Xt，Zt)}〇
[0023]步驟3、對測量傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分離處理，將數(shù)據(jù)分為沿X軸運動時的測 量數(shù)據(jù)和沿Z軸運動時的測量數(shù)據(jù)。
[0024]對測量傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分離處理時，采用公式
丨分離出測量點P3、P4、P5、P 6、P7中沿X軸運動部分的坐標集 PX3，PX4、PX5、PX6、PX7，其中 n為測量點數(shù)；
[0025]
分離出測量點P3、P5在Xt=i ? L對應的導軌截 面時沿2軸運動部分的點集?￥13、?￥15(1 = 1，2...111)，其中八為時間變量，€[、0為一給定正值。 例如，在某次測量時，xt的單位為毫米，zt的單位也為毫米，則a取值為1，0取值為1。
[0026] 步驟4、對測量傳感器的測量數(shù)據(jù)進行運動補償。具體為：
[0027] 設高精度平尺基座base坐標系為XwYwZw0,測量平臺坐標系platform為XtYtZtO,則 通過坐標轉(zhuǎn)換可得測量點在base坐標系下的坐標：
[0028]第三測量傳感器2-3所指向的測量點的坐標為P^UTjSs-Sd'S/)，
[0029] 第四測量傳感器2-4所指向的測量點的坐標為P4 = (XT，S2T，（ SdS4)T)，
[0030]第五測量傳感器2-5所指向的測量點的坐標為P^UTjSs+Sd'S/)，
[0031 ]第六測量傳感器2-6所指向的測量點的坐標為P6= (XT，S2T，（S6-S〇T)，
[0032]第七測量傳感器2-7所指向的測量點的坐標為P7 = (XT，S2T，（S7-S:)T)。
[0033] 步驟5、對第三測量傳感器2-3和第五測量傳感器2-5沿Z軸運動時的測量數(shù)據(jù)進行 處理，獲得導軌截面上滾道圓弧的半徑、圓心。具體為：
[0034]利用圖像工具顯示PYAPYAi:^...m)的截面輪廓圖像，之后選擇上下滾道輪 廓區(qū)間hv)、最后運用最小二乘擬合圓算法對滾道輪廓區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理， 得到上下滾道圓弧半徑<、杧，.圓心坐標這(《?))。
[0035]步驟6、利用相關(guān)算法計算并評價被測導軌精度誤差，包括滾道半徑、滾道平行度、 滾道直線度、側(cè)面基準直線度、底面基準直線度、等高、等寬、扭曲。具體為：
[0036]導軌半徑由公式 R = average[Ri，R2,........,Rn-i,Rn]求得；
[0037] 導軌側(cè)面基準和底面基準直線度誤差由國家標準GBT 11336-2004中提供的直線 度誤差算法對坐標集PX3和PX4計算得出；
[0038]導軌滾道直線度由國家標準GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐 標集弘(31,1^，(^)計算得出；
[0039]導軌滾道相對于導軌自身側(cè)面和底面基準的平行度誤差通過下述方法計算得到： 取心(~)一 =1〇/，砧.以，),，〇1卜(，^_4>、〇/，心(，丄〇)1、0=匕，送，…，〇!]'，令 T = Q-E-F，導軌滾道相對于導軌自身側(cè)面和底面基準的平行度誤差由國家標準GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐標集T計算得出；
[0040]導軌滾道間平行度誤差通過下述方法計算得到：取以Vf-0iV；〇V = 3,5)， {?35/ = 03/ -05/ (v/ = 〇.,丨）,導軌一側(cè)上下滾道平行度誤差由國家標準GBT 11336-2004中提 供的空間直線度誤差算法對坐標系計算得出、導軌上滾道或下滾道平行度由國家標準 GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐標系&35/計算得出；
[0042] 導軌等寬計算由矩陣W=PX3+PX^二列中最大值得出；
[0043] 導軌扭曲由公式
得出，其中Lw為第六測量傳感器2-6和第七測 量傳感器2-7沿被測導軌4寬度方向的距離。
[0044] 由上可知，本發(fā)明的一種測量直線導軌精度的裝置及非接觸式測量方法，該方法 可對X型或0型直線導軌精度進行測量，通過5個非接觸式測量傳感器、XZ兩軸移動滑臺、XZ 軸位置傳感器以及其他必要裝置組成坐標測量系統(tǒng)，并使用2個非接觸式測量傳感器對準 兩面窄長的高精度大理石平尺用于移動滑臺的運動補償，另外通過激光干涉儀測量高精度 大理石平尺直線度可以獲得更好的補償效果。所述測量平臺可測量被測導軌表面測點相對 于測量平臺的絕對坐標值，所述測量平臺的運動包括沿被測導軌方向的進給運動以及沿豎 直方向的進給運動，運用絕對測量與相對測量原理對獲得的坐標點集進行數(shù)據(jù)處理，求出 被測導軌精度值，包括滾道半徑、滾道平行度、滾道直線度、側(cè)面基準直線度、底面基準直線 度、等高、等寬、扭曲。本發(fā)明采用絕對測量與相對測量相結(jié)合，并使用非接觸式測量傳感器 獲得高精度的測量值，具有通用性好，效率高等特點。
【主權(quán)項】
1. 一種測量直線導軌精度的裝置，其特征在于，包括測量架體[1]、設置在測量架體上 的測量傳感器和高精度平尺[3]，所述高精度平尺[3]和被測導軌[4]均穿過測量架體[1]， 測量傳感器的數(shù)量為七個，其中第一測量傳感器[2-1]和第二測量傳感器[2-2]分別對準高 精度平尺[3]的頂面和側(cè)面，第三測量傳感器[2-3]對準被測導軌[4]的基準側(cè)面，第四測量 傳感器[2-4]對準被測導軌[4]的基準底面，第五測量傳感器[2-5]對準被測導軌[4]的非基 準側(cè)面，第六測量傳感器[2-6]和第七測量傳感器[2-7]同時對準被測導軌[4]的頂面，該兩 個測量傳感器關(guān)于被測導軌[4]的中心面對稱。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量直線導軌精度的裝置，其特征在于，所述七個測量傳感器 位于同一平面上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量直線導軌精度的裝置，其特征在于，被測導軌[4]與高精 度平尺[3]相互平行。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量直線導軌精度的裝置，其特征在于，測量架體[4]運動時 的位置Xt通過位置傳感器獲得，其中t為時間變量。5. -種基于權(quán)利要求1所述裝置的非接觸式測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、構(gòu)建坐標系，具體為:沿被測導軌長度方向為X軸，沿被測導軌寬度方向為Y軸， 沿與被測導軌底面基準垂直方向為Z軸； 步驟2、測量平臺相對被測導軌[4]運動，在運動過程中測量傳感器實時采集被測導軌 [4]的數(shù)據(jù)； 步驟3、對測量傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分離處理，將數(shù)據(jù)分為沿X軸運動時的測量數(shù) 據(jù)和沿Z軸運動時的測量數(shù)據(jù)； 步驟4、對測量傳感器的測量數(shù)據(jù)進行運動補償； 步驟5、對第三測量傳感器[2-3]和第五測量傳感器[2-5]沿Z軸運動時的測量數(shù)據(jù)進行 處理，獲得導軌截面上滾道圓弧的半徑和圓心； 步驟6、計算被測導軌精度誤差，具體包括滾道半徑、滾道平行度、滾道直線度、側(cè)面基 準直線度、底面基準直線度、等高、等寬和扭曲。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式測量方法，其特征在于，步驟2測量平臺相對被測導 軌[4]運動時，包括沿X軸的直線運動和沿Z軸的直線運動，上述兩軸運動相互獨立，每當沿X 軸運動到設定距離Si = i ? L時，停止該方向的運動，啟動沿Z軸的往返運動，行程為2h，如此 運動至到達設定行程為止;其中L為單位移動間隔，h為被測導軌高度，（i = l，2...m-l)，n^ 間隔數(shù);其中第一測量傳感器[2-1]、第二測量傳感器[2-2]、第三測量傳感器[2-3]、第四測 量傳感器[2-4 ]、第五測量傳感器[2-5 ]、第六測量傳感器[2-6 ]和第七測量傳感器[2-7 ]對 準的測量點分別為?1、？2、？3、？4、？5、？6、？7;7個測量傳感器實時記錄測量距離，分別為3 1{>1 (Xt，Zt)}、S2{s2(Xt，Zt)}、S3{s3(Xt，Zt)}、S4{s4(Xt，Zt)}、S5{s5(Xt，Zt)}、S6{s6(Xt，Zt) }、S7(S7 (xt,Zt)}〇7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式測量方法，其特征在于，步驟3對測量傳感器采集到 的數(shù)據(jù)進行分離處理時，分離出測量點P3、P4、 P5、P6、P7中沿X軸運動部分的坐標集PX3，PX4、PX 5、PX6、PX7，其中n為測量點數(shù)；分離出測量點？3、？5在1*=1?1對應的導軌截面時 沿Z軸運動部分的點集PYi3、PYi5(i = 1，2. . .m)，其中，t為時間變量，a為一給定正值。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式測量方法，其特征在于，步驟4對測量傳感器的測量 數(shù)據(jù)進行運動補償具體為： 設高精度平尺基座base坐標系為XwYwZwO，測量平臺坐標系platform為XtYtZtO，則通過 坐標轉(zhuǎn)換可得測量點在bas e坐標系下的坐標： 第三測量傳感器[2-3]所指向的測量點的坐標為P3 = (XT，（S3-S2)T，SJ)， 第四測量傳感器[2-4]所指向的測量點的坐標為PfU'sKSi+S#)， 第五測量傳感器[2-5]所指向的測量點的坐標為P5=(XT，（&+&)'&，， 第六測量傳感器[2-6]所指向的測量點的坐標為PfU'sKSs-S^)， 第七測量傳感器[2-7 ]所指向的測量點的坐標為P7 = (XT，S2t，（ S7-S:)T)。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式測量方法，其特征在于，步驟5中確定導軌截面上滾 道圓弧的半徑和圓心具體為： 利用圖像工具顯示?^、？￥15(1 = 1，2...!11)的截面輪廓圖像，之后選擇上下滾道輪廓區(qū) 間,最后運用最小二乘擬合圓算法對滾道輪廓區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理，得到上 下滾道圓弧半徑矽、乾，圓心坐標這10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式測量方法，其特征在于，步驟6中計算被測導軌精度 誤差，具體為： 導軌半徑由公式R=average[Ri，R2,........,Rn-i,Rn]求得； 導軌側(cè)面基準和底面基準直線度誤差由國家標準GBT 11336-2004中提供的直線度誤 差算法對坐標集PX3和PX4計算得出； 導軌滾道直線度由國家標準GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐標集Qi (ai,bi,ci)計算得出； 導軌滾道相對于導軌自身側(cè)面和底面基準的平行度誤差通過下述方法計算得到：取，令 T = Q-E-F，導軌滾道相對于導軌自身側(cè)面和底面基準的平行度誤差由國家標準GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐標集T計算得出； 導軌滾道間平行度誤差通過下述方法計算得到:取 ?V,n -(具1 (A~= 3,5)，仍5/ = 03卜05/ (./ = (U),導軌一側(cè)上下滾道平行度誤差由 國家標準GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐標系計算得出、導軌上滾 道或下滾道平行度由國家標準GBT 11336-2004中提供的空間直線度誤差算法對坐標系 03:勻計算得出；導軌等寬計算由矩陣W=PX3+PX^二列中最大值得出； 導軌扭曲由公式得出，其中Lw為第六測量傳感器[2-6]和第七測量 傳感器[2-7]沿被測導軌[4]寬度方向的距離。
【文檔編號】G01B11/16GK106052599SQ201610654865
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月10日 公開號201610654865.9, CN 106052599 A, CN 106052599A, CN 201610654865, CN-A-106052599, CN106052599 A, CN106052599A, CN201610654865, CN201610654865.9
【發(fā)明人】歐屹, 王柳, 馮虎田
【申請人】南京理工大學, 張家港斯克斯精密機械科技有限公司