CN104596465A - 用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件及方法。所述特征样件由基座和特征主体两部分构成，特征主体设置在基座顶部端面上且与其同轴设置，所述特征主体的整体形状为圆柱体，所述圆柱体高度方向的中间位置设置有环状内凹曲面。所述检测方法如下：一、使用T形布局的三轴金刚石车床加工特征样件；二、加工完成后采用圆柱度仪测量特征样件的外圆柱面，采用圆柱度仪测量特征样件的端面以及环状内凹曲面；三、根据步骤二的检测结果，推断出三轴金刚石车床的轴系误差。本发明所设计样件具有结构简单、加工方便、且能有效反映出轴系误差等特点，为三轴金刚石车床误差检测及机床验收提供了一种新方法。

Description

用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件及方法

技术领域

本发明属于超精密金刚石车床领域，涉及一种用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件及方法。

背景技术

目前，针对金刚石车床误差检测及机床验收，暂无国家标准和相关专利文献，现阶段检测标准主要参照GB17421机床检验通则，但GB17421机床检验通则主要针对常规及精密级数控机床，对超精密级金刚石车床，具有一定的局限性。

现阶段三轴金刚石车床轴系间的误差检测方法多数都依赖于方尺、高精度测微仪、激光自准直仪、激光干涉仪等高精度仪器设备，这些设备不仅价格昂贵、操作繁琐，且对检测环境有着极为苛刻的要求，同时测量结果与操作人员的技术水平有较大关系。

CN100468038C公开了一种综合检测数控铣床精度的“S”形检测试件及其检测方法，通过S形样件的加工质量能够判断五轴铣床的联动性能和加工能力。现有基于特征样件的检测方法多数是针对五轴铣床，目前并无针对金刚石车床的相关专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件及方法，通过加工特征样件及检测样件几何精度的方法逆向表征出三轴金刚石车床轴系间的误差。所设计样件具有结构简单、加工方便、且能有效反映出轴系误差等特点，为三轴金刚石车床误差检测及机床验收提供了一种新方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件，包括基座和特征主体两部分，特征主体设置在基座顶部端面上且与其同轴设置，所述特征主体的整体形状为圆柱体，所述圆柱体高度方向的中间位置设置有环状内凹曲面。

一种基于特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，具体实施步骤如下：

一、使用T形布局的三轴金刚石车床加工特征样件，加工圆柱体的外圆柱面时，只需Z轴直线进给，其余两轴保持不动；加工圆柱体的顶部端面平面时，只需X轴直线进给，其余两轴保持不动；加工环状内凹曲面时，X、Z两轴同时进行圆弧插补运动；

二、加工完成后采用圆柱度仪对特征样件进行测量，主要包括外圆柱面的锥度，端面的平面度以及环状内凹曲面的圆度；

三、根据步骤二的检测结果，推断出三轴金刚石车床的轴系误差。

本发明中，所述基座为回转体圆柱即可，厚度10mm，倒角过度。基座的直径比圆柱体的直径大30mm左右即可。

本发明中，所述特征主体总长尺寸视Z轴的最大加工范围而定，特征长度太短时，不能完全反映出轴系误差，且加工范围70%以内为常用范围。因此，特征主体总长尺寸应处于Z轴最大加工范围60-70%之间。

本发明中，所述圆柱体的顶部端面半径尺寸视X轴的最大加工范围而定。端面直径太小时，不能完全反映出轴系误差，且加工范围70%以内为常用范围。端面为回转对称结构，因此，端面半径尺寸为X轴最大加工范围30-35%之间即可。

本发明中，所述环状内凹曲面为R50D20的凹球面，球的半径为50mm，在圆柱体的口径D为20mm，球面位置分布于圆柱体长度方向中心处。

本发明具有如下优点：

1、简化了金刚石车床轴系关系检测过程，检测结果较常规检测方法更为有效，常规检测时的检测结果均为静态检测结果，无法准确反映出金刚石车床真实工作条件下的轴系空间关系。机床加工时会受到实际工作环境、工件工艺参数等因素的影响，而由机床直接加工完成的特征样件能够完全准确反映机床的真实运行状态及轴系关系。

2、本发明将基于特征样件的逆向检测方法引用到超精密金刚石车床领域，简化检测方法和检测过程，为超精密金刚石车床的检测提供一种行之有效的新思路。

3、无需高精度、价格昂贵的专业检测设备即可实现金刚石车床轴系关系检测，无需专业检测人员进行操作，编辑好加工程序后，可实现自动加工。

附图说明

图1为本发明检测方法的工艺流程图；

图2为典型T形布局的三轴金刚石车床；

图3为特征样件三维视图；

图4为特征样件正视图；

图5为主轴与Z轴平行度误差示意图；

图6为主轴与X轴垂直度误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种基于特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，通过理论推导分析，可得知三轴之间的空间关系对所加工工件面形误差的影响关系，进而依据上述关系，设计能够准确反映机床轴系空间关系的特征样件，采用圆柱度仪等精密设备对所加工的特征样件进行检测，通过各项测量数据，可逆向表征出金刚石车床轴系间的空间关系。

如图1所示，具体实施步骤如下：

一、使用金刚石车床加工特征样件。T形布局的三轴金刚石车床如图1所示，X、Z两直线轴采用T形垂直布置，主轴（带C轴功能）放置于X轴上，刀架置于Z轴上。如图3-4所示，特征样件由基座1和特征主体2两部分构成，特征主体2设置在基座1顶部端面上且与其同轴设置，所述特征主体2的整体形状为圆柱体4，所述圆柱体4高度方向的中间位置设置有环状内凹曲面3。所设计的特征样件的尺寸范围与金刚石车床最常用的工作范围一致。

二、加工过程中，加工圆柱体外圆柱面时，只需Z轴直线进给，其余两轴保持不动；加工圆柱体端面平面时，只需X轴直线进给，其余两轴保持不动；加工环状内凹曲面时，X、Z两轴同时进行圆弧插补运动。

三、加工完成后采用圆柱度仪对特征样件进行测量，主要包括外圆柱面的锥度，端面的平面度以及环状内凹曲面的圆度。

四、通过外圆柱面的检测结果，可知Z轴与主轴之间的平行度关系；端面平面度的检测结果可知X轴与主轴之间的垂直度关系。外圆柱面与端面之间的垂直度关系可判断出X、Z轴之间的垂直度。环状内凹曲面的面形精度可以推断出X、Z轴之间的插补能力。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种基于特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，具体实施步骤如下：

一、使用金刚石车床加工特征样件。

二、加工圆柱体外圆柱面时，只需Z轴直线进给，其余两轴保持不动；加工圆柱体端面平面时，只需X轴直线进给，其余两轴保持不动；加工环状内凹曲面时，X、Z两轴同时进行圆弧插补运动。

三、用圆柱度仪测量测量圆柱体4的直径变化。分别将圆柱体4的上下两部分在长度方向上按照尺寸均匀分成5段以便测量和记录，在相应分段处测量圆度，将结果记录下来。最终，可通过10个测量数据拟合出外圆柱面的圆柱度，通过圆柱度的结果可得知Z轴与主轴轴线直径的平行关系，且不平行度大小可由直径变化值与特征主体的长度推导得到。

如图5所示，当主轴与Z轴不存在平行度误差时，外圆柱面的圆柱度为理论轮廓。当两轴之间存在平行度误差时（如图所示的顺时针方向），拟合出的外圆柱面为锥型，且从底部至顶部逐渐变小。反之，如果拟合出的外圆柱面为从底部至顶部逐渐变大的锥型时，两轴之间的平行度误差为逆时针方向。不平行度大小可由直径最大和最小处的差值与特征主体的长度之间的比值确定。

假设，直径最大与最小处的差值为D，特征主体的长度为L，平行度误差a，则有：a=arctan（D/2*L）。

四、用圆柱度仪测量圆柱体4顶部端面的平面度。圆柱度仪测量端面的平面度时，应先以外圆柱为基准确定特征样件的回转中心线。测量时，应保证圆柱度仪探针的运行轨迹通过端面的回转中心或尽可能接近回转中心，以便数据更真实。最终，可通过端面的平面度结果，得知X轴与主轴轴线直径的垂直度关系，且垂直度误差可由端面的平面度推导得到。

如图6所示，当主轴与X轴之间不存在垂直度误差时，端面的平面度为理论轮廓。当两轴之间存在垂直度误差时（如图所示的顺时针方向），端面的平面度存在误差，且中心低于边缘。反之，如果平面度为中心高于边缘时，两轴之间的垂直度误差为逆时针方向。垂直度误差可由端面的平面度推导得到。

假设，平面最高点与最低点的差值为L，端面半径为R，垂直度误差为b，则有：b=arcsin（L/R）。

五、 X、Z轴之间的垂直度关系，可由外圆柱面与端面之间的垂直度得到。外圆柱面与端面之间的垂直度误差即为X、Z轴之间的垂直度误差。

六、采用圆柱度仪进行环状内凹曲面的圆度误差检测。完成环状内凹曲面加工需要X、Z两轴同时以圆弧插补的形式进行联动，且两轴的进给速度不相等，由球面尺寸结构所决定。因此，环状内凹曲面的圆度误差能够反映出两轴联动性能，圆度误差越小说明联动性越好。

检测时，先以外圆柱为基准确定特征样件的回转中心线，然后需要驱动圆柱度仪测头沿着轴线方向对外圆柱面的任一母线进行圆柱度检测，并将测量数据导出，通过人工处理的方法得出环状内凹曲面的圆度误差。

数据处理时，将圆柱体4上下两部分所对应的直线段数据进行去斜坡调平处理，并以此调平后的直线作为基准。对环状内凹曲面3所对应的圆弧数据，采用最小二乘圆法进行拟合，并与理想圆弧进行比对，即可得到圆度误差。

Claims (9)

1.一种用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件，其特征在于所述特征样件由基座和特征主体两部分构成，特征主体设置在基座顶部端面上且与其同轴设置，所述特征主体的整体形状为圆柱体，所述圆柱体高度方向的中间位置设置有环状内凹曲面。

2.根据权利要求1所述的用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件，其特征在于所述基座为回转体圆柱。

3.根据权利要求1或2所述的用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件，其特征在于所述基座的厚度为10mm。

4.根据权利要求3所述的用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件，其特征在于所述基座的直径比圆柱体的直径大30mm。

5.根据权利要求1所述的用于检测三轴金刚石车床轴系误差的特征样件，其特征在于所述环状内凹曲面的半径为50mm，在圆柱体的口径为20mm。

6.一种利用权利要求1-5任一权利要求所述特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、使用T形布局的三轴金刚石车床加工特征样件，加工圆柱体的外圆柱面时，只需Z轴直线进给，其余两轴保持不动；加工圆柱体的顶部端面平面时，只需X轴直线进给，其余两轴保持不动；加工环状内凹曲面时，X、Z两轴同时进行圆弧插补运动；

二、加工完成后采用圆柱度仪对特征样件进行测量；

三、根据步骤二的检测结果，推断出三轴金刚石车床的轴系误差。

7.根据权利要求6所述的利用特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，其特征在于所述特征主体总长尺寸应处于Z轴最大加工范围60-70%之间。

8.根据权利要求6所述的利用特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，其特征在于所述圆柱体的顶部端面半径尺寸应处于X轴最大加工范围30-35%之间。

9.根据权利要求6所述的利用特征样件检测三轴金刚石车床轴系误差的方法，其特征在于所述轴系误差的具体推断方法如下：通过外圆柱面的检测结果，可知Z轴与主轴之间的平行度关系；通过端面平面度的检测结果可知X轴与主轴之间的垂直度关系；通过外圆柱面与端面之间的垂直度关系可判断出X、Z轴之间的垂直度；通过环状内凹曲面的面形精度可以推断出X、Z轴之间的插补能力。