CN108195321A - 一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，该方法利用激光位移传感器多角度测量同一位置与滚道截面上的圆弧上三点的距离，通过三角函数关系计算出滚道截面圆弧圆心空间坐标值，利用最小二乘法拟合出相邻两个滚道圆心所在的空间直线，并计算出该两条空间直线在不同垂直平面内的平行度，即可得到相邻滚道轴心平行度关系。该发明实现对相邻滚道平行度的间接快速精确在线测量，测量精度取决于所使用的激光位移传感器测量精度，采用高精度激光位移传感器可以实现对滚道平行度测量精度误差小于0.1微米。而且利用数控机床本身具有高精度传动的工作台进行检测，测量更准确。

Description

一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法

技术领域

本发明涉及直线导轨测量领域，尤其涉及一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法。

背景技术

目前，直线导轨精度测量大多采用手工测量或接触式传感器进行测量，对试验员素质要求高且测量结果精确性差。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种测量精确的滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，所述在线测量方法包括以下步骤：

1)将第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别通过夹具安装在数控机床的床身上，且第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的测量头均处在垂直于直线导轨轴线的一平面A内，其中第一激光位移传感器用于测量第一滚道，而第二激光位移传感器用于测量第二滚道；选取第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的初始测量位置分别为点O₁和O₂₁，其中第一激光位移传感器的测量头可在所述平面A内围绕点O₁任意角度转动，第二激光位移传感器的测量头可在所述平面A内围绕点O₂₁任意角度转动；

2)直线导轨的滚道磨削时，将直线导轨安装在数控机床的工作台上，利用成型砂轮磨削第一滚道和第二滚道，磨削完后将第一滚道和第二滚道擦拭干净；

3)利用第一激光位移传感器和第二激光位移传感器并配合数控机床工作台的移动，多次测量并计算出第一滚道和第二滚道轴向不同位置的截面圆心空间坐标值，再利用最小二乘法对上述测得的多个圆心进行直线拟合，分别拟合出第一滚道和第二滚道的直线，并计算出上述两条直线在不同垂直平面内的平行度，即可得到第一滚道和第二滚道轴线的平行度关系。

所述步骤3)的具体方法如下：

a)利用第一激光位移传感器测量点O₁到第一滚道圆弧上依序的三个点A₁、B₁、C₁的距离，分别记为l_1A、l_1B、l_1C，其中每次测量间隔角度均为θ，即O₁A₁与O₁B₁、O₁B₁与O₁C₁所成夹角均为θ；同理，利用第二激光位移传感器测量点O₂₁到第二滚道圆弧上依序的三个点A₂₁、B₂₁、C₂₁的距离，分别记为l_21A、l_21B、l_21C，其中每次测量间隔角度也均为θ，即O₂₁A₂₁与O₂₁B₂₁、O₂₁B₂₁与O₂₁C₂₁所成夹角也均为θ；

b)以点O₁为坐标系原点，测量中线O₁B₁与坐标系O₁X相重合，数控机床工作台的移动方向与坐标系O₁Z相平行，O₁O₂₁与O₁Y相重合，建立三维直角坐标系XYZ，测量点A₁、B₁、C₁的坐标分别为(-l_1Acosθ,l_1Asinθ,0)、(-l_1B,0,0)、(-l_1Ccosθ,-l_1Csinθ,0)，测量点A₂₁、B₂₁、C₂₁的坐标分别为(-l_21Acosθ,l_21Asinθ-w,0)、(-l_21B,-w,0)、(-l_21Ccosθ,-l_1Csinθ-w,0)，其中O₂₁与O₁之间的距离为w；

c)利用三角函数关系，推导得到第一滚道圆弧A₁B₁C₁的圆心点O′₁的坐标(x₁,y₁,z₁)，其中x₁、y₁、z₁的具体取值计算如下：

z₁＝0；

同理，可以得到第二滚道圆弧A₂₁B₂₁C₂₁的圆心O′₂₁的坐标位置(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，其中x₂₁、y₂₁、z₂₁的具体取值计算如下：

z₂₁＝0；

d)利用数控机床控制工作台带动直线导轨沿Z轴正方向每次移动距离d以进行多次测量，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的测量位置均始终保持不变；

第一激光位移传感器相对滚道上次测量点沿Z轴方向移动了距离d，取第n次测量第一激光位移传感器测量点相对位置为点O_n，n为等于或大于5的整数，点O_n相对于点O₁沿Z轴移动了(n-1)d的距离，重复第1次测量第一滚道圆弧三个点的方法，得到测量点A_n、B_n、C_n的坐标分别为(-l_nAcosθ,l_nAsinθ,-(n-1)d)、(-l_nB,0,-(n-1)d)、(-l_nCcosθ,-l_nCsinθ,-(n-1)d)；

利用三角函数关系，推导得到第一滚道圆弧A_nB_nC_n的圆心点O′_n的坐标(x_n,y_n,z_n)，其中x_n、y_n、z_n的具体取值计算如下：

z_n＝-(n-1)d；

同理，第二激光位移传感器相对第二滚道上次测量点沿Z轴方向也移动了距离d，取第n次测量第二激光位移传感器测量点相对位置为点O_2n，n为等于或大于5的整数，点O_2n相对于点O₂₁沿Z轴移动了(n-1)d的距离，重复第1次测量第二滚道圆弧三个点的方法，得到测量点A_2n、B_2n、C_2n的坐标分别为(-l_2nAcosθ,l_2nAsinθ-w,-(n-1)d)、(-l_2nB,-w,-(n-1)d)、(-l_2nCcosθ,-l_2nCsinθ-w,-(n-1)d)；

利用三角函数关系，推导得到第二滚道圆弧A_2nB_2nC_2n的圆心点O′_2n的坐标(x_2n,y_2n,z_2n)，其中x_2n、y_2n、z_2n的具体取值计算如下：

z_2n＝-(n-1)d；

e)根据上述多次测量和计算得到第一滚道轴向不同位置的圆心点O′₁，O′₂，O′₃，…，O′_n，采用最小二乘法对上述圆心点进行直线拟合，设拟合空间直线Ls₁的表达式为：

其中：

同理，根据上述多次测量和计算得到第二滚道轴向不同位置的圆心点O′₂₁、O′₂₂、O′₂₃…O′_2n，采用最小二乘法对上述圆心点进行直线拟合，设拟合空间直线Ls₂的表达式为：

其中：

根据所拟合的两条直线，可得到第一滚道和第二滚道在X和Y方向上的平行度，其中第一滚道和第二滚道在X方向上的平行度△_X为：

第一滚道和第二滚道在Y方向上的平行度△_Y为：

则第一滚道和第二滚道轴线平行度△可以表示为：

所述直线导轨通过磁性吸附安装在数控机床的工作台上。

所述成型砂轮磨削第一滚道和第二滚道完后通过酒精将滚道擦拭干净。

本发明利用激光位移传感器多角度测量同一位置与滚道截面上的圆弧上三点的距离，通过三角函数关系计算出滚道截面圆弧圆心空间坐标值，利用最小二乘法拟合出相邻两个滚道圆心所在的空间直线，并计算出该两条空间直线在不同垂直平面内的平行度，即可得到相邻滚道轴心平行度关系。该发明实现对相邻滚道平行度的间接快速精确在线测量，测量精度取决于所使用的激光位移传感器测量精度，采用高精度激光位移传感器可以实现对滚道平行度测量精度误差小于0.1微米。而且利用数控机床本身具有高精度传动的工作台进行检测，测量更准确。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明在线测量方法的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，在线测量方法包括以下步骤：

1)将第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5分别通过夹具安装在数控机床的床身上，且第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5的测量头均处在垂直于直线导轨轴线的一平面A内，其中第一激光位移传感器4用于测量第一滚道3，而第二激光位移传感器5用于测量第二滚道6；选取第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5的初始测量位置分别为点O₁和O₂₁，其中第一激光位移传感器4的测量头可在所述平面A内围绕点O₁任意角度转动，第二激光位移传感器5的测量头可在所述平面A内围绕点O₂₁任意角度转动；

2)直线导轨2的滚道磨削时，直线导轨2通过磁性吸附安装在数控机床的工作台1上，利用成型砂轮磨削第一滚道3和第二滚道6，磨削完后用酒精分别将第一滚道3和第二滚道6擦拭干净；

3)利用第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5并配合数控机床工作台1的移动，多次测量并计算出第一滚道3和第二滚道6轴向不同位置的截面圆心空间坐标值，再利用最小二乘法对上述测得的多个圆心进行直线拟合，分别拟合出第一滚道3和第二滚道6的直线，并计算出上述两条直线在不同垂直平面内的平行度，即可得到第一滚道3和第二滚道6轴线的平行度关系。

步骤3)的具体方法如下：

a)利用第一激光位移传感器4测量点O₁到第一滚道3圆弧上依序的三个点A₁、B₁、C₁的距离，分别记为l_1A、l_1B、l_1C，其中每次测量间隔角度均为θ，即O₁A₁与O₁B₁、O₁B₁与O₁C₁所成夹角均为θ；同理，利用第二激光位移传感器5测量点O₂₁到第二滚道6圆弧上依序的三个点A₂₁、B₂₁、C₂₁的距离，分别记为l_21A、l_21B、l_21C，其中每次测量间隔角度也均为θ，即O₂₁A₂₁与O₂₁B₂₁、O₂₁B₂₁与O₂₁C₂₁所成夹角也均为θ；

b)以点O₁为坐标系原点，测量中线O₁B₁与坐标系O₁X相重合，数控机床工作台1的移动方向与坐标系O₁Z相平行，O₁O₂₁与O₁Y相重合，建立三维直角坐标系XYZ，测量点A₁、B₁、C₁的坐标分别为(-l_1Acosθ,l_1Asinθ,0)、(-l_1B,0,0)、(-l_1Ccosθ,-l_1Csinθ,0)，测量点A₂₁、B₂₁、C₂₁的坐标分别为(-l_21Acosθ,l_21Asinθ-w,0)、(-l_21B,-w,0)、(-l_21Ccosθ,-l_1Csinθ-w,0)，其中O₂₁与O₁之间的距离为w；

c)利用三角函数关系，推导得到第一滚道3圆弧A₁B₁C₁的圆心点O′₁的坐标(x₁,y₁,z₁)，其中x₁、y₁、z₁的具体取值计算如下：

z₁＝0；

同理，可以得到第二滚道6圆弧A₂₁B₂₁C₂₁的圆心O′₂₁的坐标位置(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，其中x₂₁、y₂₁、z₂₁的具体取值计算如下：

z₂₁＝0；

d)利用数控机床控制工作台1带动直线导轨2沿Z轴正方向每次移动距离d以进行多次测量，第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5的测量位置均始终保持不变；

第一激光位移传感器4相对滚道上次测量点沿Z轴方向移动了距离d，取第n次测量第一激光位移传感器4测量点相对位置为点O_n，n为等于或大于5的整数，点O_n相对于点O₁沿Z轴移动了(n-1)d的距离，重复第1次测量第一滚道3圆弧三个点的方法，得到测量点A_n、B_n、C_n的坐标分别为(-l_nAcosθ,l_nAsinθ,-(n-1)d)、(-l_nB,0,-(n-1)d)、(-l_nCcosθ,-l_nCsinθ,-(n-1)d)；

利用三角函数关系，推导得到第一滚道3圆弧A_nB_nC_n的圆心点O′_n的坐标(x_n,y_n,z_n)，其中x_n、y_n、z_n的具体取值计算如下：

z_n＝-(n-1)d；

同理，第二激光位移传感器5相对第二滚道6上次测量点沿Z轴方向也移动了距离d，取第n次测量第二激光位移传感器5测量点相对位置为点O_2n，n为等于或大于5的整数，点O_2n相对于点O₂₁沿Z轴移动了(n-1)d的距离，重复第1次测量第二滚道6圆弧三个点的方法，得到测量点A_2n、B_2n、C_2n的坐标分别为(-l_2nAcosθ,l_2nAsinθ-w,-(n-1)d)、(-l_2nB,-w,-(n-1)d)、(-l_2nCcosθ,-l_2nCsinθ-w,-(n-1)d)；

利用三角函数关系，推导得到第二滚道6圆弧A_2nB_2nC_2n的圆心点O′_2n的坐标(x_2n,y_2n,z_2n)，其中x_2n、y_2n、z_2n的具体取值计算如下：

z_2n＝-(n-1)d；

e)根据上述多次测量和计算得到第一滚道3轴向不同位置的圆心点O′₁，O′₂，O′₃，…，O′_n，采用最小二乘法对上述圆心点进行直线拟合，设拟合空间直线Ls₁的表达式为：

其中：

同理，根据上述多次测量和计算得到第二滚道6轴向不同位置的圆心点O′₂₁、O′₂₂、O′₂₃…O′_2n，采用最小二乘法对上述圆心点进行直线拟合，设拟合空间直线Ls₂的表达式为：

其中：

根据所拟合的两条直线，可得到第一滚道3和第二滚道6在X和Y方向上的平行度，其中第一滚道3和第二滚道6在X方向上的平行度△_X为：

第一滚道3和第二滚道6在Y方向上的平行度△_Y为：

则第一滚道3和第二滚道6轴线平行度△可以表示为：

上述测量方法既可以应用于滑块滚道和直线导轨滚道磨削加工过程中平行度的在线测量，也可以应用于成品滑块滚道和直线导轨滚道平行度的测量。

该发明实现对相邻滚道平行度的间接快速精确在线测量，测量精度取决于所使用的激光位移传感器测量精度，采用高精度激光位移传感器可以实现对滚道平行度测量精度误差小于0.1微米。而且利用数控机床本身具有高精度传动的工作台进行检测，测量更准确。

Claims (4)

1.一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，其特征在于：所述在线测量方法包括以下步骤：

1)将第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别通过夹具安装在数控机床的床身上，且第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的测量头均处在垂直于直线导轨轴线的一平面A内，其中第一激光位移传感器用于测量第一滚道，而第二激光位移传感器用于测量第二滚道；选取第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的初始测量位置分别为点O₁和O₂₁，其中第一激光位移传感器的测量头可在所述平面A内围绕点O₁任意角度转动，第二激光位移传感器的测量头可在所述平面A内围绕点O₂₁任意角度转动；

2)直线导轨的滚道磨削时，将直线导轨安装在数控机床的工作台上，利用成型砂轮磨削第一滚道和第二滚道，磨削完后将第一滚道和第二滚道擦拭干净；

3)利用第一激光位移传感器和第二激光位移传感器并配合数控机床工作台的移动，多次测量并计算出第一滚道和第二滚道轴向不同位置的截面圆心空间坐标值，再利用最小二乘法对上述测得的多个圆心进行直线拟合，分别拟合出第一滚道和第二滚道的直线，并计算出上述两条直线在不同垂直平面内的平行度，即可得到第一滚道和第二滚道轴线的平行度关系。

2.根据权利要求1所述的一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，其特征在于：所述步骤3)的具体方法如下：

a)利用第一激光位移传感器测量点O₁到第一滚道圆弧上依序的三个点A₁、B₁、C₁的距离，分别记为l_1A、l_1B、l_1C，其中每次测量间隔角度均为θ，即O₁A₁与O₁B₁、O₁B₁与O₁C₁所成夹角均为θ；同理，利用第二激光位移传感器测量点O₂₁到第二滚道圆弧上依序的三个点A₂₁、B₂₁、C₂₁的距离，分别记为l_21A、l_21B、l_21C，其中每次测量间隔角度也均为θ，即O₂₁A₂₁与O₂₁B₂₁、O₂₁B₂₁与O₂₁C₂₁所成夹角也均为θ；

b)以点O₁为坐标系原点，测量中线O₁B₁与坐标系O₁X相重合，数控机床工作台的移动方向与坐标系O₁Z相平行，O₁O₂₁与O₁Y相重合，建立三维直角坐标系XYZ，测量点A₁、B₁、C₁的坐标分别为(-l_1Acosθ,l_1Asinθ,0)、(-l_1B,0,0)、(-l_1Ccosθ,-l_1Csinθ,0)，测量点A₂₁、B₂₁、C₂₁的坐标分别为(-l_21Acosθ,l_21Asinθ-w,0)、(-l_21B,-w,0)、(-l_21Ccosθ,-l_1Csinθ-w,0)，其中O₂₁与O₁之间的距离为w；

c)利用三角函数关系，推导得到第一滚道圆弧A₁B₁C₁的圆心点O′₁的坐标(x₁,y₁,z₁)，其中x₁、y₁、z₁的具体取值计算如下：

z₁＝0；

同理，可以得到第二滚道圆弧A₂₁B₂₁C₂₁的圆心O′₂₁的坐标位置(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，其中x₂₁、y₂₁、z₂₁的具体取值计算如下：

z₂₁＝0；

d)利用数控机床控制工作台带动直线导轨沿Z轴正方向每次移动距离d以进行多次测量，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的测量位置均始终保持不变；

第一激光位移传感器相对滚道上次测量点沿Z轴方向移动了距离d，取第n次测量第一激光位移传感器测量点相对位置为点O_n，n为等于或大于5的整数，点O_n相对于点O₁沿Z轴移动了(n-1)d的距离，重复第1次测量第一滚道圆弧三个点的方法，得到测量点A_n、B_n、C_n的坐标分别为(-l_nAcosθ,l_nAsinθ,-(n-1)d)、(-l_nB,0,-(n-1)d)、(-l_nCcosθ,-l_nCsinθ,-(n-1)d)；

利用三角函数关系，推导得到第一滚道圆弧A_nB_nC_n的圆心点O′_n的坐标(x_n,y_n,z_n)，其中x_n、y_n、z_n的具体取值计算如下：

z_n＝-(n-1)d；

同理，第二激光位移传感器相对第二滚道上次测量点沿Z轴方向也移动了距离d，取第n次测量第二激光位移传感器测量点相对位置为点O_2n，n为等于或大于5的整数，点O_2n相对于点O₂₁沿Z轴移动了(n-1)d的距离，重复第1次测量第二滚道圆弧三个点的方法，得到测量点A_2n、B_2n、C_2n的坐标分别为(-l_2nAcosθ,l_2nAsinθ-w,-(n-1)d)、(-l_2nB,-w,-(n-1)d)、(-l_2nCcosθ,-l_2nCsinθ-w,-(n-1)d)；

利用三角函数关系，推导得到第二滚道圆弧A_2nB_2nC_2n的圆心点O′_2n的坐标(x_2n,y_2n,z_2n)，其中x_2n、y_2n、z_2n的具体取值计算如下：

z_2n＝-(n-1)d；

e)根据上述多次测量和计算得到第一滚道轴向不同位置的圆心点O′₁，O′₂，O′₃，…，O′_n，采用最小二乘法对上述圆心点进行直线拟合，设拟合空间直线Ls₁的表达式为：

其中：

同理，根据上述多次测量和计算得到第二滚道轴向不同位置的圆心点O′₂₁、O′₂₂、O′₂₃…O′_2n，采用最小二乘法对上述圆心点进行直线拟合，设拟合空间直线Ls₂的表达式为：

其中：

根据所拟合的两条直线，可得到第一滚道和第二滚道在X和Y方向上的平行度，其中第一滚道和第二滚道在X方向上的平行度△_X为：

第一滚道和第二滚道在Y方向上的平行度△_Y为：

则第一滚道和第二滚道轴线平行度△可以表示为：

3.根据权利要求1所述的一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，其特征在于：所述直线导轨通过磁性吸附安装在数控机床的工作台上。

4.根据权利要求1所述的一种滚珠直线导轨副滚道平行度在线测量方法，其特征在于：所述成型砂轮磨削第一滚道和第二滚道完后通过酒精将滚道擦拭干净。