CN110849298B - 一种导轨的安装检测与误差分析方法 - Google Patents

一种导轨的安装检测与误差分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种导轨的安装检测与误差分析方法，其包括：（1）测量基准制造和测量点的标记；（2）求解实际平面与理论平面的空间关系；（3）导轨空间模型的建立；（4）导轨直线度的误差分析；（5）导轨平面度和垂直度的误差分析；（6）导轨安装过程控制；（7）导轨调整；（8）导轨高度、导轨间距和导轨槽道间中心定位。本发明构思合理，能够满足导轨的安装检测要求和现场安装调整的要求，可操作性极强、效率较高。

Description

一种导轨的安装检测与误差分析方法
技术领域
本发明涉及导轨的安装检测技术领域，具体涉及一种导轨的安装检测与误差分析方法。
背景技术
大型、超长、空间导轨，被广泛使用在大型实验设备和运输设备中，其特点是：截面大、自重大、空间关系复杂、安装精度高等，因此导轨的安装精度是保证设备运行连续、稳定的重要保证。而现有技术则主要针对细长导轨、小型导轨的安装测量方法，对于大型导轨的安装暂时为空白。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种构思合理，能够满足导轨的安装检测要求和现场安装调整的要求，可操作性极强、效率较高的导轨的安装检测与误差分析方法。
本发明的技术方案如下：
上述的导轨的安装检测与误差分析方法，其包括以下步骤：（1）导轨测量基准制造和测量点的标记；（2）求解导轨实际平面与理论平面的空间关系；（3）导轨空间模型的建立；（4）导轨直线度的误差分析；（5）导轨平面度和垂直度的误差分析；（6）导轨安装过程控制；（7）导轨调整；（8）导轨高度、导轨间距和导轨槽道间中心定位。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（1）的具体流程为：先对整体导轨的顶面采用机加工，再对每段导轨四周采用机加工，加工完成后，在导轨顶面刻上导轨中心线并钻定位靶标座安装孔；然后在每段导轨的定位中心线上取测量点来分析直线度并对导轨上所取的测量点的坐标进行直线拟合；再在每段导轨上取定位靶标安装点并对导轨上所取的定位靶标安装点进行平面拟合。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤(2)的具体流程为： 先使用高精度测量仪器测出所有导轨的测量点的坐标并将坐标数据导入自建程 序中进行运算，输出所有导轨的测量点的调整位移；然后根据最小二乘法拟合 导轨实际平面，得出平面法向量为P1＝(A,B,C)；理论平面法向量为 P2＝(D,E,F)，求解可得：
平面的空间角度
Figure RE-GDA0002330021660000021
导轨绕x轴转角θX＝arctan(F-C)/(E-B))；
导轨绕y轴转角θY＝arctan(F-C)/(D-A))；
则α、θX、θY为实际平面与理论平面的空间关系。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（3）的具体流程为：将所有导轨的测量点采用最小二乘法拟合平面，以建立导轨的空间模型，同时将测量坐标系移至短导轨的底导轨中心位置作为新坐标系的坐标原点，并在新坐标系下建立导轨理论平面空间位置。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（4）的具体流程为：将导轨按节段从左到右依次安装，在左端第一节导轨安装完成后，先测量该节导轨首尾两测量点的纵向偏移，再铺设左端第二节导轨，接着测量第一节导轨的尾端与第二节导轨的首端的两测量点的纵向偏移，依此方法依次安装完整条导轨所有节段后，通过计算机对整条导轨的测量点的坐标进行直线拟合，对偏差较大的测量点应重新调整后再测量，保证整条导轨的直线度满足要求。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（5）的具体流程为：先通过对导轨上所取的定位靶标安装点依次进行平面拟合并求得点到理论面的距离，对于过高、过低的不满足平面度要求的点，通过该节段导轨底部的调节螺栓调整导轨的水平度，最终测量应满足导轨局部平面度要求；其次对导轨上所取的定位靶标安装点整体进行平面度拟合，对不符合平面度的点，应反复调整测量导轨间的错台，最终调至满足导轨整体平面度要求；然后在已调整好的导轨的底导轨和侧导轨的工作面上分别取点测量，通过计算机分别拟合导轨的底导轨和侧导轨的工作面平面；最后通过分别测量导轨的底导轨工作面平面和侧导轨工作面平面的夹角来控制导轨的侧导轨与底导轨的垂直度。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（6）的具体流程为：
①初步安装就位测量控制
对所有导轨零件按照安装布置图有序地对每根导轨进行吊装就位和检测，并将导轨按基准进行初步对齐找正，以实现导轨的就位；
②导轨粗测量控制
导轨吊装就位后进行导轨粗调整测量控制，即使用水准仪测量导轨工作面标高，调整导轨工作面平面度，将导轨工作面标高及平面度控制在1mm范围内，然后通过全站仪测量所有导轨上纵横基准线以及定位孔的坐标对导轨X、Y轴坐标进行定位测量，可将所有导轨定位于理论位置精度1mm范围内；
③采用精密激光跟踪测量仪进行导轨精确测量控制，即通过精密激光跟踪测量仪对所有导轨的取样点进行测量和拟合平面，反复调整测量至满足精度要求为止。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（7）的具体流程为：在导轨吊装前将导轨调节装置安装于导轨上，在每节段导轨的两端头和梁中间分别设置导轨调节装置，待所有导轨调节装置安装就位后，将导轨调节装置的调节位置锁死并采用死挡铁固定。
所述导轨的安装检测与误差分析方法，其中，所述步骤（8）的具体流程为：导轨安装距离测量均可转化为实体要素间距离测量即面与面之间、线与线之间距离测量；使用激光跟踪仪对每一组距离测量两个实体要素取点测量，通过计算机拟合平面并读取两平面的各自平面度以及平面间距离；如果不满足要求，通过调整装置进行微调。
有益效果：
本发明导轨的安装检测与误差分析方法构思合理，能够满足导轨的安装检测要求和现场安装调整的要求，可操作性极强、效率较高；通常运输类导，精度要求低、截面小，而常用机床类导轨整体较小，均不能满足大型、高精度、多段导轨的安装检测要求；本发明能够真实反映导轨空间状态的方案，确立了求解导轨实际状态与理论状态的偏差分析方法以及导轨直线度、平面度、垂直度的误差分析方法，满足了导轨的安装检测要求。
本发明在制造阶段建立导轨基准，通过测量真实反映导轨的实际状态，并根据测量数据通过自建程序拟合所有导轨平面，进而分析导轨实际状态与理论状态的偏差，直观、高效。
本发明采用定位靶标等进行直线度、平面度、垂直度以及空间距离定位；既可以实现数据的采集，也是实现安装调整的数据监测来源，满足数据采集和导轨调整的要求；采用最小二乘法拟合理论状态、实际状态，并判断平面度、直线度、垂直度是否满足要求，并计算出导轨需要的调整量，满足导轨安装精度要求，数据处理速度快。
本发明的导轨安装过程精度控制包括初始调整、粗调整、精调整等步骤，导轨调整通过底部或侧面导轨调节装置调节导轨位移，操作简单、方便。
附图说明
图1为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中的导轨空间布置的轴侧图；
图2为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的导轨空间布置的平面图；
图3为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的导轨基准示意图；
图4为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的导轨测量点示意图；
图5为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的自建程序的流程图；
图6 为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的测量样点及拟合后的平面示意图；
图7为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的导轨调节装置与导轨的安装示意图；
图8为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的导轨调节装置与侧导轨的安装示意图；
图9为本发明导轨的安装检测与误差分析方法中涉及的导轨调节装置与底导轨的安装示意图。
具体实施方式
本发明导轨的安装检测与误差分析方法，涉及的导轨指大型、超长、空间导轨；导轨空间模型的建立，首先要在加工阶段建立各类安装基准，同时这些基准也作为安装过程中调整的动态观测点，安装基准由基准面、基准孔、靶标支架等组成；其次测量设备需满足安装精度要求。导轨实际状态则通过对前述各类安装基准的测量获得，采用最小二乘法对导轨逐个进行拟合，与理论状态进行对比，确定直线度、平面度、垂直度是否满足要求。
如图1所示，导轨由长短两组导轨构成，A组导轨短，其中A1、A2为侧导轨，A3、A4为底导轨；B组导轨长，B1、B2为侧导轨，B3、B4为底导轨。本发明涉及的最长导轨为52.45米；两股槽道内宽度方向最大外轮廓间距为24.294米；图2给出了导轨的平面布置图。
表1导轨设计精度标准及允许偏差
Figure RE-GDA0002330021660000041
Figure RE-GDA0002330021660000051
本发明导轨的安装检测与误差分析方法，具体包括以下步骤：
(1)导轨测量基准制造和测量点的标记
侧导轨的基准制作与底导轨类似，如图3，现仅以A4段底导轨为例，A4段底 导轨由四节段组成；先在底导轨上盖板顶面1采用整体机加工，加工精度为± 0.1mm/6m，为测量定位方便，每段底导轨四周采用机加工；然后，在底导轨加 工完成后，在底导轨的顶面刻上定位中心线3并钻定位靶标座面安装孔2；接着 在每段底导轨上至少取8个点进行测量(A4段底导轨共计32个)，如图4所示，其 中位于导轨上盖板的测量点Z1～Z8位于定位中心线3上，用来分析直线度并对测 量点Z1～Z8坐标进行直线拟合，应满足直线度的要求；接着在A4段底导轨的四节 段底导轨的两端头和中间依次取定位靶标安装点D1～D6、D7～D12、D13～D18、 D19～D24并对A4段底导轨上所取的定位靶标安装点D1～D24进行平面拟合；其中， 图4中定位靶标安装点D1-D2、D5-D8、D11-D13、D17-D20、D23-D24(在定位靶 标处，必须保证重复测量和调整复位时精确度；其余测量点重复测量时，靶标 球放置在导轨上盖板表面，位置允许有偏差(20mm内)用来安装定位靶标，是 安装调整时的动态监测点，满足了导轨的定位安装要求，其余测量点参考图3 进行配置；由于加工精度远大于安装精度，所以安装不考虑加工精度的影响； 其余底导轨、侧导轨测量点的选取方法与上述A4段底导轨类似。
（2）求解导轨实际平面与理论平面的空间关系
使用高精度测量仪器，测出所有导轨测量点的坐标，并将坐标数据导入自建程序（采用VC++、VB、matlab等软件编写，本发明使用matlab编写。）中进行运算，输出所有导轨测量点的调整位移；根据最小二乘法拟合导轨实际平面，得出平面法向量为
Figure 444193DEST_PATH_IMAGE014
；理论平面法向量为
Figure 908673DEST_PATH_IMAGE016
，求解可得：
平面的空间角度
Figure 577552DEST_PATH_IMAGE004
；
导轨绕x轴转角
Figure 977440DEST_PATH_IMAGE006
；
导轨绕y轴转角
Figure 436497DEST_PATH_IMAGE008
；
则
Figure 439088DEST_PATH_IMAGE010
为实际平面与理论平面的空间关系；
如图5所示，上述自建程序的运算流程如下：
①将测量数据汇总，放入程序指定的文件路径下，运行自编程序；
②转化坐标系和建立新原点，即将测量数据从测量坐标系原点，通过数学方法移至导轨A3与导轨A4上表面所组成矩形的中心位置；
③按照最终设计安装图纸尺寸，以新建原点为坐标系，建立测量点位置的理论坐标；
④分别对导轨A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4中各平面测量点进行拟合，并与理论坐标拟合的平面进行比较，面与面之间的关系应满足表1中所提要求；
⑤若步骤④中，某一平面不满足表1所提要求，则会在程序终端输出不满足要求测量点位置（输出测量点标记），以及该位置满足要求需要的位移、角度、方向；
⑥按照步骤⑤中给出的数据，调节导轨位置状态后重新测量；然后重复上述步骤①-⑤，直到合格。
（3）导轨空间模型的建立
将所有导轨的测量点分别采用最小二乘法拟合平面，以建立图6所示的导轨的空间模型，同时将测量坐标系移至短导轨（A组导轨）的底导轨中心位置作为新坐标系的坐标原点，并在新坐标系下建立导轨理论平面空间位置。
（4）导轨直线度的误差分析
如图4，以A4段底导轨为例，Z1~Z8位于定位中心线上，底导轨按节段从左到右依次安装，左端第一节安装完成后，先测量该节底导轨首尾两点Z1与Z2的纵向偏移，应小于1mm，再铺设左端第二节导轨，测量第一节导轨尾端的点Z2与第二节导轨首端的点Z3的纵向偏移应小于1mm；通过前述方法，依此类推依次安装完A4段底导轨所有节段后，通过计算机对整条A4段底导轨的测量点Z1~Z8的坐标进行直线拟合，对偏差较大的测量点应通过调节图7的调整机构重新调整后再测量，保证整条A4底导轨的直线度满足要求；其余导轨A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4的直线度误差分析参考此方法进行。
（5）导轨平面度和垂直度的误差分析
如图4，以A4段底导轨为例，A4段底导轨由四节段底导轨组成；
平面度误差分析：通过对A4段底导轨上所取的定位靶标安装点D1~ D6、D7~D12、D13~D18、D19~D24分别依次进行平面拟合（按照节段从左到右的安装顺序）并求得点到理论面的距离，对于过高、过低的不满足平面度要求的点，通过该节段底导轨底部的调节螺栓，调整A4段底导轨的水平度，最终测量应满足导轨局部平面度要求；
其次，对A4段底导轨上所取的定位靶标安装点D1~D24整体进行平面度拟合，对不符合平面度的点，应反复调整测量A4段底导轨间的错台，最终调至满足导轨整体平面度要求；其余导轨A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4的平面度误差分析参考此方法进行。
然后在已调整好的A4段底导轨的工作面上取点测量，通过计算机拟合底导轨水平平面；参照前述A4段底导轨的测量点取点方法、直线度误差分析方法和平面度测量方法，对A1段侧导轨进行直线度和平面度误差分析后，再用计算机拟合A1段侧导轨工作面平面；最后通过测量A4段底导轨水平平面和A1段侧导轨工作面平面的夹角来控制A4段底导轨和A1段侧导轨的垂直度；其余底导轨与侧导轨垂直度误差分析参考此方法进行。
（6）导轨安装过程控制
①初步安装就位测量控制
对所有导轨零件按照安装布置图有序地对每根导轨进行吊装就位和检测，使用对正基准线、吊线锤、平尺测距、角尺测控垂直度、水平仪找平等常规工具及方法，将导轨按基准进行初步对齐找正，以实现导轨的就位；
②导轨粗测量控制
导轨吊装就位后使用全站仪、水准仪等常规测量仪器进行导轨粗调整测量控制；具体是使用水准仪测量导轨工作面标高（以安装现场标高控制点为测量控制基准），调整导轨工作面平面度，将导轨工作面标高及平面度控制在1mm范围内；通过全站仪测量所有导轨上纵横基准线以及定位孔的坐标，对导轨X、Y轴坐标进行定位测量，可将所有导轨定位于理论位置精度1mm范围内；
③采用精密激光跟踪测量仪(API)对导轨进行精确测量控制；精密激光跟踪测量仪具有精密的测量功能，在测距60米范围内，该精密激光跟踪测量仪测量精度为±5ppm；通过精密激光跟踪测量仪对所有导轨的测量点进行测量，拟合平面，反复调整测量至满足精度要求为止。
（7）导轨调整
在导轨吊装前，将导轨调节装置安装于导轨上，图7所示为每组导轨调节装置的数量位置，每节段导轨设置三组导轨调节装置且分别位于两端头和梁中间；待所有导轨调节装置安装就位后，将导轨调节装置的调节位置锁死并采用死挡铁固定。
（8）导轨高度、导轨间距和导轨槽道间中心定位
导轨安装距离测量均可转化为实体要素间距离测量（即面与面之间距离测量以及线与线之间距离测量）；使用精密激光跟踪测量仪对每一组距离测量两个实体要素取点测量，通过计算机拟合平面读取两平面各自平面度以及平面间距离；如果不满足要求，通过图7所示的导轨调节装置进行微调。
如图7，该导轨调节装置1包括调节底板11、固定在调节底板11上的调节螺杆12和安装在调节螺杆12上的调节螺母13。
如图8所示，在侧导轨上安装导轨调节装置的方法为：
沿着侧导轨的侧面和底面长度方向每2米~2.5米安装一组导轨调节装置；其中，安装在侧导轨侧面的导轨调节装置，具体是将调节底板11固定于在导轨支撑架2的侧面，将调节螺杆12穿过侧导轨的侧面，分别在穿过侧导轨的侧面的调节螺杆12上安装调节螺母13，通过调整调节螺母13实时调节侧导轨的侧面距离调节底板11的距离，调节完成后用死挡铁将导轨调节装置的调节部分焊接固定；安装在侧导轨底面的导轨调节装置，具体是将调节底板11固定于在导轨支撑架2的水平面，将调节螺杆12穿过侧导轨的底面，分别在穿过侧导轨底面的调节螺杆12上安装调节螺母13，通过调整调节螺母13实时调节侧导轨的底面距离调节底板11的距离，调节完成后用死挡铁将导轨调节装置的调节部分焊接固定。
如图9所示，在底导轨上安装导轨调节装置的方法为：
在底导轨的底面沿着长度方向每2米~2.5米安装一组导轨调节装置，具体是将底板1焊接在导轨支撑架2的水平面，将调节螺杆12穿过底导轨的底面，分别在穿过底导轨底面的调节螺杆12上安装调节螺母13，通过调整调节螺母13实时调节底导轨的底面距离底板1的距离，调节完成后用死挡铁将导轨调节装置的调节部分焊接固定。
本发明能够满足导轨的安装检测要求和现场安装调整的要求，可操作性极强、效率较高。

Claims (8)

1.一种导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)导轨测量基准制造和测量点的标记；
(2)求解导轨实际平面与理论平面的空间关系；
(3)导轨空间模型的建立；
(4)导轨直线度的误差分析；
(5)导轨平面度和垂直度的误差分析；
(6)导轨安装过程控制；
(7)导轨调整；
(8)导轨高度、导轨间距和导轨槽道间中心定位；
所述步骤(5)的具体流程为：先通过对导轨上所取的定位靶标安装点依次进行平面拟合并求得点到理论面的距离，对于过高、过低的不满足平面度要求的点，通过该节段导轨底部的调节螺栓调整导轨的水平度，最终测量应满足导轨局部平面度要求；其次对导轨上所取的定位靶标安装点整体进行平面度拟合，对不符合平面度的点，应反复调整测量导轨间的错台，最终调至满足导轨整体平面度要求；然后在已调整好的导轨的底导轨和侧导轨的工作面上分别取点测量，通过计算机分别拟合导轨的底导轨和侧导轨的工作面平面；最后通过分别测量导轨的底导轨工作面平面和侧导轨工作面平面的夹角来控制导轨的侧导轨与底导轨的垂直度。
2.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体流程为：先对整体导轨的顶面采用机加工，再对每段导轨四周采用机加工，加工完成后，在导轨顶面刻上导轨中心线并钻定位靶标座安装孔；然后在每段导轨的定位中心线上取测量点来分析直线度并对导轨上所取的测量点的坐标进行直线拟合；再在每段导轨上取定位靶标安装点并对导轨上所取的定位靶标安装点进行平面拟合。
3.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体流程为：先使用高精度测量仪器测出所有导轨的测量点的坐标并将坐标数据导入自建程序中进行运算，输出所有导轨的测量点的调整位移；然后根据最小二乘法拟合导轨实际平面，得出平面法向量为P1＝(A,B,C)；理论平面法向量为P2＝(D,E,F)，求解可得：
平面的空间角度
Figure FDA0002985821910000011
导轨绕x轴转角θX＝arctan(F-C)/(E-B))；
导轨绕y轴转角θY＝arctan(F-C)/(D-A))；
则a、θX、θY为实际平面与理论平面的空间关系。
4.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体流程为：将所有导轨的测量点采用最小二乘法拟合平面，以建立导轨的空间模型，同时将测量坐标系移至短导轨的底导轨中心位置作为新坐标系的坐标原点，并在新坐标系下建立导轨理论平面空间位置。
5.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体流程为：将导轨按节段从左到右依次安装，在左端第一节导轨安装完成后，先测量该节导轨首尾两测量点的纵向偏移，再铺设左端第二节导轨，接着测量第一节导轨的尾端与第二节导轨的首端的两测量点的纵向偏移，依此方法依次安装完整条导轨所有节段后，通过计算机对整条导轨的测量点的坐标进行直线拟合，对偏差较大的测量点应重新调整后再测量，保证整条导轨的直线度满足要求。
6.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(6)的具体流程为：
①初步安装就位测量控制
对所有导轨零件按照安装布置图有序地对每根导轨进行吊装就位和检测，并将导轨按基准进行初步对齐找正，以实现导轨的就位；
②导轨粗测量控制
导轨吊装就位后进行导轨粗调整测量控制，即使用水准仪测量导轨工作面标高，调整导轨工作面平面度，将导轨工作面标高及平面度控制在1mm范围内，然后通过全站仪测量所有导轨上纵横基准线以及定位孔的坐标对导轨X、Y轴坐标进行定位测量，可将所有导轨定位于理论位置精度1mm范围内；
③采用精密激光跟踪测量仪进行导轨精确测量控制，即通过精密激光跟踪测量仪对所有导轨的取样点进行测量和拟合平面，反复调整测量至满足精度要求为止。
7.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(7)的具体流程为：在导轨吊装前将导轨调节装置安装于导轨上，在每节段导轨的两端头和梁中间分别设置导轨调节装置，待所有导轨调节装置安装就位后，将导轨调节装置的调节位置锁死并采用死挡铁固定。
8.如权利要求1所述的导轨的安装检测与误差分析方法，其特征在于，所述步骤(8)的具体流程为：导轨安装距离测量均可转化为实体要素间距离测量即面与面之间、线与线之间距离测量；使用激光跟踪仪对每一组距离测量两个实体要素取点测量，通过计算机拟合平面并读取两平面的各自平面度以及平面间距离；如果不满足要求，通过调整装置进行微调。
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