CN1065137A - 精密蜗杆精度参数测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于测量精密蜗杆精度参数的方法和 装置，主要技术特点是用两个电感测头和长光栅串联 测量长度，圆光栅测量角度，长光栅沿被测蜗杆轴线 外延线运动，长光栅和电感测头支承在气体静压导轨 上，被测蜗杆和圆光栅由一个步进电机驱动，电感测 头和长光栅由另一个步进电机驱动，两个电机由计算 机操纵协调转动。整个测量过程由计算机控制。采 用本发明测量蜗杆，只须装夹工件一次，就能测量出 三级和三级以上精度蜗杆的主要精度参数。

Description

本发明涉及一种蜗杆精度参数测量技术，特别是涉及以圆光栅测量角度参数，以长光栅和电感测头串联测量长度参数，由计算机控制自动测量精密蜗杆精度参数的测量方法和装置。

精密蜗杆是精密机床、精密仪器及精密分度装置中的分度基准原件，其精度直接决定这些装置的精度，因此方便准确地测试精密蜗杆的精度参数是这些装置制造行业中的关键性技术。蜗杆的精度参数有螺旋线误差，轴向齿距偏差，轴向齿距累积误差等。这些参数的检测，在现有技术中一般是用2至3台精密测量仪器来完成，其中螺旋线误差的检测，对于三级精度以下的蜗杆，在PWF-250型滚刀检测仪上进行;对于五级精度以下的蜗杆，用万能工具显微镜加光学分度头来完成，而齿距偏差和齿距累积误差则在万能工具显微镜上进行。即检测完一个蜗杆精度参数，至少装夹工件2至3次，因此很难保证检测精度，检测效率低，操作不方便，并且不能检测三级和三级以上精度的蜗杆。

西德Fette公司生产的PKM630型极座标测量仪，是现有技术中测量蜗杆螺旋线的权威仪器。该仪器的特点是，被测蜗杆支持在一个活顶针与一个死顶针之间，用圆光栅、长光栅和电感测头相互配合测试蜗杆螺旋线，电感测头只有一个，其测头置于被测蜗杆的螺纹内。长光栅沿与被测蜗杆轴线平行且有一定距离的运动导轨移动，长光栅和电感测头均通过滚动轴承沿导轨运动。由计算机控制测量操作过程，直接显示打印测量结果。该仪器不足的地方是设计不符合阿贝原则（长光栅的导轨与被测蜗杆的轴线相距400mm），仪器的测量精度受限，只能测量三级和三级精度以下蜗杆，且只能测量蜗杆的螺旋线，不能同时测量蜗杆齿距偏差，齿距累积误差，分度误差。

本发明的目的在于避免已有技术的不足之处，而提供一种装夹一次被测蜗杆，便能自动测量三级和三级以上精度蜗杆的螺旋线误差，齿距偏差、齿距累积误差和分度误差，并能直接显示打印测量结果的精密蜗杆精度参数测量方法和装置。

本发明的目的是通过下述的方法和装置来实现的。

测量精密蜗杆精度参数的方法，首先是将被测蜗杆可转动地支持在两个顶针之间，以圆光栅测量蜗杆的角度参数θ，以长光栅和电感测头串联测试蜗杆螺旋线长度参数L，由计算机控制自动测试，然后按下列步骤进行测量：

1.将蜗杆测试点的精度参数理论值存入计算机储存器;

2.测试一条螺旋线各测试点的精度参数值，并存入计算机的数据单元;

3.测完一条螺旋线各测试点的数据后，电感测头退出蜗杆螺纹槽，圆光栅带动被测蜗杆转动一分度角360°/H，（H为蜗杆头数），电感测头进入下一个螺纹槽，重复上述第2项工作，直至蜗杆全部螺旋线测试完毕;

4.取同一径向截面内各条螺旋线的相应试点的测试数据，算出分度误差，其分度误差计算公式为：

△θ＝ 2/(mH) （L_j+1，i-L_j，i）（单位：弧度）

式中：L_j，i-长度坐标值，j为轴截面序号，i为径向截面序号;m-蜗杆模数，H-蜗杆头数。

5.取同一轴向截面内各条螺旋线的各测试点的测量数据，算出齿距偏差，其计算公式为：

Max（△L_j，i）＝L_j，i+1-L_j，i

6.按各相邻齿距误差，求出该截面内轴向齿距累积误差;

7.取另一个轴向截面，重复上述第5、6项工作，直至算完H个截面为止。

实现上述测量方法的一种测量装置是，被测蜗杆可转动地支持在两个顶针之间，蜗杆由步进电机通过机械传动减速机构驱动，测量角度的圆光栅与被测蜗杆同步转动，长光栅和电感测头串联测量长度。两个电感测头对称设置在通过被测蜗杆轴线的平面内，长光栅设置在被测蜗杆轴线的延伸线上，并可沿该延伸线移动，两个电感测头和长光栅通过联结件形成一体，它们分别支承在静压导轨上，由另一个步进电机通过机械传动减速机构带动，作步进式移动。两个步进电机由计算机操纵协调转动。计算机给出的步进转动的信号，先经功率放大器放大后，再驱动步进电机，长光栅和圆光栅获得的蜗杆参数信号经光栅接口进入计算机，电感测头获得的蜗杆参数信号经电感测微仪接口进入计算机，电感测微仪同时与超量程控制器接通，超量程控制器的出口又分别与两个功率放大器接通。

在本发明的测量装置中，长光栅布置在被测蜗杆轴线的延伸线上，并沿该延伸线运动，使得测量过程完全符合阿贝原则，保证了测量精度。两个电感测头对称布置在通过被测蜗杆轴线的平面内，这种布置方式能够消除一些仪器结构参数误差对测量结果的影响。长光栅和电感测微仪串联测长，并通过超量程控制器修正电感测微仪超量程，则能有效地克服传动机构误差过大对测量的影响。长光栅和电感测头分别支承在气体静压导轨上，克服了已有技术中它们与导轨的滑动摩擦或滚动摩擦对测量精度的影响，有利于提高测量精度。

为了使发明目的得到更好的实现，本发明还采取了以下的技术措施。

被测蜗杆支持在两个死顶针之间，两个死顶针的轴线与被测蜗杆的轴线一致，被测蜗杆用两个死顶针支持，可以消除轴向窜动对测量精度的影响，有利于高精度测量的实现。

两个电感测头对称设置在通过被测蜗杆轴线的水平平面内，以消除工件弯曲，工件轴线与导轨运动不平行度等对测量结果的影响。

长光栅和圆光栅分别设置在被测蜗杆体外的两端，圆光栅的轴线与被测蜗杆轴线的延伸线一致，长光栅位于被测蜗杆另一端的延伸轴线上，且可沿该轴线运动。

带动被测蜗杆转动的机械传动减速机构的滚珠轴系传动机构由内套、滚珠、外套和两个端面盘构成，滚珠位于内套与外套之间，以及外套与两个端面盘之间，圆光栅和蜗轮安装在外套上，利用外套的环盘与联结着被测蜗杆的拨叉机构联结，安装在外套上的蜗轮与传递减速运动的蜗杆相配构成运动付。滚珠轴系传动机构，较之其它形式运动机构，减速比大，运动平衡，有利于本发明目的实现。

在本发明中采用了理论值与实测值比较，长光栅和两个对称布置在通过被测蜗杆轴线截面内的电感测头串联互补测长，长光栅布置在被测蜗杆外延伸轴线上，使长度测量完全符合阿贝原则，长光栅和电感测头支承在气体静压导轨上，由计算机实施控制、数据采集、处理等先进技术措施，保证了本发明的高精度测量，使得本发明可自动测量三级精度的精密蜗杆和三级精度以上的超精密蜗杆，解决了机床和计量研究所长期渴望解决而未解决的问题，为他们提供了检测精密蜗杆的有力手段。

采用本发明的技术，在本发明的测量装置中，被测蜗杆只须安装一次，便可自动测出各种头数蜗杆的螺旋线误差、齿距偏差、齿距累积误差和分度误差，解决了已有技术中需要由二至三台精密测量仪器才能完成的测量工作，消除了多次装夹工件引起的测量误差，提高了测量精度和测量效率，减少了测量仪器，降低了测量成本。

本发明除用来测量精密蜗杆外，还可用来测量不太长的精密丝杆。

附图1是本发明的测量装置的整体布局示意图。

附图2是采用本发明测量五头蜗杆时，五条螺旋线上的测试点1，2，……5的平面展开图。

下面结合附图详细描述本发明的最佳实施方案。被测蜗杆（1）支持在两个死顶针（7、8）之间，蜗杆的轴线与两个死顶针的轴线一致，两个电感测头（3、4）对称设置在通过被测蜗杆轴线的水平平面内，电感测头的测头位于被测蜗杆的螺纹内，长光栅（2）位于被测蜗杆轴线的延伸线（9）上，且可沿该延伸线运动，电感测头与长光栅通过联结件（5）形成一体，电感测头和长光栅分别支承在各自的空气静压导轨（14、15、16）上，由步进电机（12）通过机械传动减速机构（13）带动，作步进式平动。测量角度的圆光栅安装在带动被测蜗杆转动的滚珠轴系的外套（19）上，滚珠轴系的轴线与被测蜗杆轴线的另一端外延线一致。它由内套（17）、滚珠（18）、外套（19）和两个端面盘（20、21）构成，滚珠位于内套与外套和外套与两个端面盘之间，圆光栅（6）、蜗轮（22）安装在外套上，外套的环盘（23）与联结着被测蜗杆的拨叉机构（24）联结，蜗轮（22）与传递步进电机（10）运动的蜗杆（25）相配。圆光栅（6）和被测蜗杆（1）在步进电机（10）的驱动下，作同步的步进转动。两个步进电机（10、12）由计算机操纵作协调转动，也就是圆光栅、被测蜗杆与电感测头和长光栅形成螺旋运动，但两个步进电机的比，可根据需要在 1/(64K) 至64K的范围内变化。计算机给出的步进转动信号是先经功率放大器放大后，再驱动步进电机的。长光栅和圆光栅获得的蜗杆参数信号经光栅接口进入计算机，电感测头获得的蜗杆参数信号经电感测微仪接口进入计算机，电感测微仪又与超量程控制器接通，超量程控制器的出口又分别与两个功率放大器接通。

测量蜗杆螺旋线误差，齿距偏差、齿距累积误差、分度误差的步骤如下：（1）先将蜗杆测试点的精度参数理论值存入计算机储存器;（2）测取一条螺旋线上各测试点的精度参数值，并存入计算机的数据单元;（3）电感测头退出蜗杆螺纹槽，圆光栅带动被测蜗杆转动一分度角360°/H（H为蜗杆头数），电感测头进入下一个螺纹槽，重复上述第（2）项的工作，直至蜗杆各条螺旋线测量完毕;（4）取每条螺旋线同一径向截面的各测试点的测量数据，算出分度误差，其分度误差计算公式为：△θ＝ 2/(mH) （L_j+1，i-L_j，i）式中L_j，i为长度坐标值，j为轴截面序号，i为径向截面序号，m为蜗杆模数，H为蜗杆头数;（5）取同一轴向截面内各条螺旋线测试点的测量数据，算出相邻齿距误差，其计算公式为：Max（△L_j，i）＝L_j，i+1-L_j，i;（6）按各齿距误差，求出该截面内轴向齿距累积误差;（7）再取另一个轴向截面，重复上述第（5）、（6）项工作，直至算完H个截面为止。按照上述测量步骤，编写计算机控制程序。

本发明的测量方法，不限于只适用本发明的测量装置，现有技术中的某些测量装置如采用本发明的测量方法，也能在一个测量装置上，装夹一次工件，便可测得蜗杆螺旋线误差，齿距偏差，齿距累积误差，和分度误差。

本发明的测量装置，也不限于附图所描述的实施例。

Claims (6)

1、一种精密蜗杆精度参数测量方法，被测蜗杆可转动地支持在两顶针之间，以圆光栅测量蜗杆的角度参数θ，以长光栅和电感测头串联测量蜗杆螺旋线长度参数L，由计算机控制自动测试，其特征在于以如下步骤进行测量：

(1)将蜗杆测试点的精度参数理论值存入计算机储存器；

(2)测取一条螺旋线各测试点的精度参数值，并存入计算机的数据单元；

(3)电感测头退出蜗杆螺纹槽，圆光栅带动被测蜗杆转动一分度角360°/H(H为蜗杆头数)，电感测头进入下一个螺纹槽，重复上述第(2)项工作，直至蜗杆全部螺旋线测量完毕；

(4)取同一径向截面各条螺旋线的各测试点的测量数据，算出分度误差，其分度误差计算公式为：

△θ= 2/(mH) (Lj+1，i-Lj，i)

式中：Lj，i--长度坐标值，j--轴向截面序号，

i--为径向截面序号，m--蜗杆模数，

H--蜗杆头数；

(5)取同一轴向截面内各条螺旋线测试点的测量数据，算出相邻齿距误差，其计算公式为：

Max(△Li，j)=Lj，i+1-Lj，i；

(6)按各相邻齿距误差，求出该截面内轴向齿距累积误差；

(7)再取另一个轴向截面，重复上述第(5)、(6)项工作，直至算完H个截面为止；

2、一种按照权利要求1所述方法而专门设计的精密蜗杆自动测量装置，在该装置中，被测蜗杆（1）可转动地支持在两个顶针（7）、（8）之间，蜗杆由步进电机（10）通过机械传动减速机构驱动，测量角度的圆光栅（6）与被测蜗杆（1）同步转动，长光栅（2）和电感测头（3）、（4）串联测量长度，由计算机控制测量操作过程，并直接显示打印测量结果，其特征在于长光栅（2）设置在被测蜗杆轴线的延伸线（9）上，并可沿该延伸线移动，电感测头（3）、（4）有两个，对称设置在通过被测蜗杆轴线的平面内，它们与长光栅由联结件（5）形成一体，由另一个步进电机（12）通过机械传动减速机构（13）带动，并且长光栅和两个电感测头均支承在气体静压导轨（14）、（15）、（16）上，两个步进电机（10）、（12）由计算机操纵协调转动，计算机给出的步进转动信号先经功率放大器放大后，再驱动步进电机。长光栅和圆光栅获得的蜗杆参数信号经光栅接口进入计算机，电感测头获得的蜗杆参数信号经电感测微仪接口进入计算机，电感测微仪又与超量程控制器接通，超量程控制器的出口又分别与两个功率放大器接通。

3、根据权利要求2所述的精密蜗杆测量装置，其特征在于被测蜗杆支持在两个死顶针之间，两个死顶针的轴线与被测蜗杆的轴线一致。

4、根据权利要求2所述的精密蜗杆测量装置，其特征在于两个电感测头对称设置在通过被测蜗杆轴线的水平平面内。

5、根据权利要求2所述的精密蜗杆测量装置，其特征在于长光栅和圆光栅分别设置在被测蜗杆体外的两端，圆光栅的轴线与被测蜗杆轴线的延伸线一致，长光栅位于被测蜗杆另一端的延伸轴线上，且可沿该轴线移动。

6、根据权利要求2所述的精密蜗杆测量装置，其特征在于带动被测蜗杆（1）转动的机械传动减速机构（11）的滚珠轴系传动机构，由内套（17）、滚珠（18）、外套（19）和两个端面盘（20）、（21）构成，滚珠位于内套与外套之间和外套与两个端面盘之间，圆光栅（6）和与蜗杆（25）匹配构成减速运动付的蜗轮（21）安装在外套上，外套的环盘（23）与联结着被测蜗杆的拨叉机构（24）联结。