CN111854587A - 一种导轨五自由度运动误差在线测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密机械误差测量领域，公开了一种导轨五自由度运动误差在线测量装置及方法。该装置由嵌入运动平台上的五个按一定规则排列的电涡流位移传感器组成，电涡流传感器测量导轨不同位置在运动过程中相对基准直线的位移变化。本发明通过采用一般精度的平面作为测量基准，通过消除测量基准平面对导轨五自由度误差测量产生的影响，实现了导轨五自由度误差的高精度、实时、非接触测量，解决了单参数测量装置不能在线测量的问题，且测量***抗干扰能力较强，在实际工况中可以实现稳定性测量。实际测量导轨五自由度误差时考虑并减小了基准对导轨误差测量产生的影响。

Description

一种导轨五自由度运动误差在线测量装置及方法
技术领域
本发明属于精密机械误差测量领域，具体涉及一种导轨五自由度运动误差在线测量装置及方法。
背景技术
当导轨运动副沿直线导轨运动时，存在沿导轨方向的定位误差、垂直于导轨方向的二维直线度误差(水平直线度误差、竖直直线度误差)、二维角度误差(俯仰角误差、偏摆角误差)、滚转角误差六个自由度误差。导轨运动误差一般采用离线方法进行测量，但是当制造装备在加工过程中，由于受到切削力等影响，运动误差与采用离线测量方法得到的测量结果会不同，因而实时快速并且精确的检测这些误差可提高制造装备加工精度和生产效率。在导轨运动中的6项误差中，一般定位误差可以由数控机床本身的光栅尺测得，其余五项几何误差是导轨误差测量的重点。目前，水平仪、激光干涉仪，准直仪等装置只能实现单参数或两个自由度误差的测量，需要测量多次才能实现对导轨多自由度误差的测量，属于离线测量，无法实现在线测量，费时费力。雷尼绍等公司研制的导轨多自由度运动误差测量装置可以一次测量得到导轨多自由度运动误差，具有测量速度快等特点，但是同样属于离线测量方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种在线测量导轨五自由度误差的方法及装置，该装置由嵌入运动平台上的五个按一定规则排列的电涡流位移传感器组成，电涡流传感器测量导轨不同位置在运动过程中相对基准直线的位移变化。
在测量过程中，电涡流位移传感器可以测导轨滑块运动时相对基准平面的水平和竖直方向的直线度误差，按一定规则排列的两个电涡流位移传感器分别实现偏摆角、俯仰角和滚转角误差的测量。
与现有技术不同，本发明通过采用一般精度的平面作为测量基准，通过消除测量基准平面对导轨五自由度误差测量产生的影响，实现准确测量。基准平面可以是机床已有床身平面，也可以另行安装于机床中。本方法方便集成于机床中，不需额外过多增加成本。
一种导轨五自由度误差在线测量装置，包括两个基准面、导轨、五个电涡流位移传感器、运动平台、两个连接板以及标定装置；所述的导轨安装在基准面B上，两个导轨滑块通过上部连接平板形成运动平台，沿导轨滑动；所述的基准面A平行于导轨的滑动方向；连接板A和连接板B对称安装在运动平台的两侧，电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B竖直安装在连接板A上，且两个电涡流传感器的连线与导轨运动方向平行，与基准面B组成俯仰角测量单元；电涡流位移传感器C竖直安装在连接板B上，且与电涡流传感器B的连线与导轨运动方向垂直，与基准面B组成滚转角测量单元；电涡流位移传感器D和电涡流位移传感器E水平安装在连接板B上，且两个电涡流传感器的连线与导轨运动方向平行，与基准面A组成偏摆角测量单元；
导轨滑块沿导轨移动过程中，电涡流会在基准面A上扫描一条直线，电涡流位移传感器D和E探头位于扫描直线侧面；基准面B上设有两条扫描直线，电涡流位移传感器A、电涡流位移传感器B和电涡流位移传感器C探头分别位于扫描直线上方。
上述标定装置包括准直仪、自准直仪和水平仪。
上述的在线测量装置测量导轨五自由度误差的方法，包括步骤如下：
步骤1：标定基准面A和B对导轨五自由度误差测量产生的变化量；
步骤1-1，首先将激光准直仪的四象限接收器固定在运动平台上，使准直仪的测量轴线与电涡流位移传感器C和D的距离最小，减少布莱恩误差的影响；从导轨的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录准直仪及电涡流位移传感器C和D的数值；
步骤1-2：将自准直仪的靶镜固定在运动平台上，使自准直仪的测量轴线与电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B的连线平行，且与导轨运动方向平行；从导轨的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，记录自准直仪俯仰角与偏摆角测量数据、电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B组成的俯仰角测量单元数值、电涡流位移传感器D和E组成的偏摆角测量单元数值；
步骤1-3：将水平仪固定在运动平台上，使水平仪的测量轴线与电涡流位移传感器B和C的连线平行，且与导轨运动方向垂直；从导轨的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录水平仪及电涡流位移传感器B和C组成的滚转角测量单元数值；
步骤1-4：由准直仪及电涡流位移传感器C和D的数值计算出基准面误差对竖直和水平方向直线度误差测量产生的变化量；由自准直仪及俯仰角测量单元数值计算出基准面误差对俯仰角误差测量产生的角度变化量；由自准直仪及偏摆角测量单元数值计算出基准面误差对偏摆角误差测量产生的角度变化量；由水平仪及滚转角测量单元数值计算出基准面误差对滚转角误差测量产生的角度变化量；
步骤1-5：对步骤1-1至1-4得出的基准面误差对导轨五自由度误差测量产生的变化量进行最小二乘拟合，建立最优拟合函数，拟合得到整个行程内任意点基准面误差对五自由度误差测量产生的变化量；标定后的基准面作为导轨五自由度误差测量的基准，进行误差补偿，保证测量的精度；
步骤2：导轨五自由度误差测量；
步骤2-1：将运动平台沿导轨滑动，五个电涡流位移传感器探头分别扫描各自对应的基准；
步骤2-2：在导轨直线度误差测量过程中，任意位置处电涡流位移传感器C和D的数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对直线度误差测量产生的变化量进行补偿，即计算出导轨的直线度误差；
步骤2-3：在导轨俯仰角和偏摆角误差测量过程中，任意位置处的俯仰角测量单元数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对俯仰角误差测量产生的角度变化量进行补偿，即计算出导轨的俯仰角误差；任意位置处的偏摆角测量单元数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对偏摆角误差测量产生的角度变化量进行补偿，即计算出导轨的偏摆角误差；
步骤2-4：在导轨滚转角误差测量过程中任意位置处的滚转角测量单元数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对滚转角误差测量产生的角度变化量进行补偿，即计算出导轨的滚转角误差；
步骤2-5：导轨运动状态分析：按照步骤2-2、步骤2-3和步骤2-4依次在线测量出导轨各点的直线度误差、俯仰角误差，偏摆角误差和滚转角误差。
本发明的有益效果为实现了导轨五自由度误差的高精度、实时、非接触测量，解决了单参数测量装置不能在线测量的问题，且测量***抗干扰能力较强，在实际工况中可以实现稳定性测量。实际测量导轨五自由度误差时考虑并减小了基准对导轨误差测量产生的影响。
附图说明
图1是导轨直线度标定装置示意图；
图2是导轨俯仰角和偏摆角标定装置示意图；
图3是导轨滚转角标定装置示意图；
图4是导轨五自由度误差测量装置示意图；
图5是导轨直线度标定原理图；
图6是导轨俯仰角和偏摆角标定原理图；
图7是导轨滚转角标定原理图；
图中：1基准面A；2导轨；3基准面B；4运动平台；5电涡流位移传感器A；6连接板A；7电涡流位移传感器B；8电涡流位移传感器C；9电涡流位移传感器D；10连接板B；11电涡流位移传感器E；12准直仪；13自准直仪；14水平仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，详细描述本发明的技术方案。
一种嵌入式导轨五自由度误差在线测量装置，包括基准平面A1和B3、导轨2、运动平台4、电涡流位移传感器A5、B7、C8、D9和E11、连接板A6和B10；标定装置包括准直仪12、自准直仪13和水平仪14；测量方法如下：
步骤1，标定基准平面A1和B3对导轨五自由度误差测量产生的变化量
步骤1-1：如图4导轨五自由度误差测量装置所示，将电涡流位移传感器A5和B7嵌入连接板A6，将电涡流位移传感器C8、D9和E11嵌入连接板B11，之后将其作为一个整体固定在运动平台4上；
步骤1-2：将装好的电涡流位移传感器A5和B7进行调整，保证传感器探头与运动平台4垂直且两个探头连线与导轨运动方向平行；对电涡流位移传感器B7和C8进行调整，保证传感器探头与运动平台4垂直且两个探头连线与导轨运动方向垂直；对电涡流位移传感器D9和E11进行调整，保证位移传感器探头与运动平台4垂直且两个探头连线与导轨运动方向平行；
步骤1-3：分别采用激光准直仪12，自准直仪13及光电水平仪14作为测量运动平台在两个方向直线度误差、偏摆角与俯仰角误差、滚转角误差的基准仪器，对导轨运动平台的运动误差参数进行测量，并与本发明中提出的采用电涡流测量数据进行比较，计算分析基准面3与基准面1的几何误差对各个自由度误差测量的影响，进而对其进行补偿。如图1直线度标定装置所示，将准直仪12的四象限接收器固定在运动平台4上，使准直仪12的测量轴线与电涡流位移传感器C8和D9的距离最小，减少布莱恩误差的影响；从导轨2的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录准直仪12及电涡流位移传感器C8和D9的数值Z′Ci和X′Di(i＝1,2,3,…,n)，如图5直线度标定原理图所示，Z′Ci和X′Di包含导轨直线度误差和基准对导轨直线度测量产生的变化量。
步骤1-4：测量出电涡流位移传感器A5和B7距离L1，电涡流位移传感器D9和E11距离L3，如图2俯仰角和偏摆角标定装置所示，将自准直仪13的靶镜固定在运动平台4上，使自准直仪13的测量轴线与电涡流位移传感器A5和B7的连线和电涡流位移传感器D9和E11的连线同时平行；从导轨2的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，记录自准直仪13俯仰角与偏摆角测量数据、电涡流位移传感器A5和B7组成的俯仰角测量单元数值、电涡流位移传感器D9和E11组成的偏摆角测量单元数值。如图6俯仰角和偏摆角标定原理图所示，俯仰角测量单元数值和偏摆角测量单元数值由公式(1)计算得到；
Figure BDA0002594644300000071
式中，Z′Ai、Z′Bi、X′Di和X′Ei分别为电涡流传A5、B7、D9和E11数值，αi′和βi′为偏摆角和俯仰角测量单元数据，包含导轨偏摆角和俯仰角误差和基准对导轨偏摆角和俯仰角测量产生的角度变化量，偏摆角测量原理与俯仰角测量原理相同；
步骤1-5：测量出电涡流位移传感器B7和C8距离L2，如图3滚转角标定装置所示，将水平仪14固定在运动平台4上，使水平仪14的测量轴线与电涡流位移传感器B7和C8的连线平行,且与导轨运动方向垂直；从导轨2的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录水平仪14及电涡流位移传感器B7和C8组成的滚转角测量单元数值。如图7滚转角标定原理图所示，滚转角测量单元数值由公式(2)计算得到；
Figure BDA0002594644300000072
式中，Z′Bi和Z′Ci分别为电涡流传B7和C8数值，γ′i为滚转角测量单元数据，包含导轨滚转角误差和基准对导轨滚转角测量产生的角度变化量；
步骤1-6：上述步骤完成后，由准直仪12及电涡流位移传感器C8和D9的数值Z′Ci和X′Di通过公式(3)计算出基准面误差对竖直和水平方向直线度误差测量产生的变化量Z″Ci和X″Di，
Figure BDA0002594644300000081
式中，ZCi和XDi分别为准直仪测得的导轨竖直和水平方向直线度误差；
由自准直仪13及俯仰角测量单元数值α′i和偏摆角测量单元数值β′i通过公式(4)计算出基准面误差对俯仰角和偏摆角误差测量产生的角度变化量α″i和β″i，
Figure BDA0002594644300000082
式中，αi和βi分别为自准直仪测得的导轨俯仰角和偏摆角误差；
由水平仪14及滚转角测量单元数值γ′i通过公式(5)计算出基准面误差对滚转角误差测量产生的角度变化量γ″i；
γ″i＝γi-γ′i(i＝1,2,3,…,n) (5)
式中，γi为水平仪测得的导轨滚转角误差；
步骤1-7：对步骤1-3至1-6得出的基准面误差对导轨五自由度误差测量产生的变化量进行最小二乘拟合，建立最优拟合函数，拟合得到整个行程内任意点对五自由度误差测量产生的变化量；
标定n个点，记导轨2在位置yi处的基准对导轨竖直和水平方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角误差测量产生的变化量分别为ZC(yi)、XD(yi)、α(yi)和β(yi)和γ(yi)(i＝1,2,3,…,n)，每个yi对应一个ZC(yi)、XD(yi)、α(yi)和β(yi)和γ(yi)。基于最小二乘原理，建立最优谐波拟合函数ZC(y)、XD(y)、α(y)和β(y)和γ(y)，见公式(6)，由采样定理可知，当标定点个数n为偶数时，只能计算到m＝n/2阶系数；当n为奇数时，只能计算到m＝(n-1)/2阶系数。
Figure BDA0002594644300000091
由于导轨五项几何误差拟合函数相似，所以只对竖直直线度拟合函数进行说明，式中，ZC(y)＝[ZC(y1)，ZC(y2)，…，ZC(yi)，…，ZC(yn)]，y＝[y1，y2，…，yi，…，yn]，
Figure BDA0002594644300000092
m为可以计算得到高度差谐波的最高阶数，Ak和Bk为第k阶误差谐波系数，Ck和
Figure BDA0002594644300000093
为第k阶误差谐波的幅值和相位。
由最小二乘法求出第k阶误差谐波系数Ak和Bk，进而求出了幅值Ck和相位
Figure BDA0002594644300000094
拟合得到整个行程内任意点基准面误差对五自由度误差测量产生的变化量ZC(yj)、XD(yj)、α(yj)和β(yj)和γ(yj)(j＝1,2,3,…)，标定后的基准面作为导轨五自由度误差测量的基准，进行误差补偿，保证任导轨意点五自由度误差测量的精度，yj表示具体测量时导轨2任意运动位置。
步骤2：导轨五自由度误差测量
步骤2-1：如图4所示，将运动平台4沿导轨2滑动，五个电涡流位移传感器探头分别扫描各自对应的基准；嵌入运动平台的五个电涡流位移传感器与运动平台4视作为一个整体(此时不再读取准直仪12、自准直仪13和水平仪14的读数)，其各部件相对位置关系与标定时一致；
步骤2-2：在导轨直线度误差测量过程中，通过误差补偿公式(7)将步骤1-7拟合出的基准对直线度误差测量产生的变化量ZC(yj)和XD(yj)进行补偿，即计算出导轨2任意点直线度误差；
Figure BDA0002594644300000101
步骤2-3：在导轨俯仰角和偏摆角误差测量过程中，通过误差补偿公式(8)将步骤1-7拟合出的基准对俯仰角和偏摆角误差测量产生的角度变化量α(yj)和β(yj)进行补偿，即计算出导轨2任意点的俯仰角和偏摆角误差；
Figure BDA0002594644300000102
步骤2-4：在导轨滚转角误差测量过程中，通过误差补偿公式(9)将步骤1-7拟合出的基准对滚转角误差测量产生的角度变化量γ(yj)进行补偿，即计算出导轨2任意点的滚转角误差；
γj＝γ′j+γ(yj)(j＝1,2,3,…) (9)
步骤2-5：导轨2运动状态分析：按照步骤2-2、步骤2-3和步骤2-4可以依次在线测量出导轨2各点的直线度误差、俯仰角误差，偏摆角误差和滚转角误差。
本发明可以对导轨五自由度误差进行在线同时检测，测量***抗干扰能力较强，适用于实际工况。

Claims (3)

1.一种导轨五自由度误差在线测量装置，其特征在于，包括两个基准面、导轨(2)、五个电涡流位移传感器、运动平台(4)、两个连接板以及标定装置；所述的导轨(2)安装在基准面B(3)上，两个导轨滑块通过上部连接平板形成运动平台(4)，沿导轨(2)滑动；所述的基准面A(1)平行于导轨(2)的滑动方向；连接板A(6)和连接板B(10)对称安装在运动平台(4)的两侧，电涡流位移传感器A(5)和电涡流位移传感器B(7)竖直安装在连接板A(6)上，且两个电涡流传感器的连线与导轨运动方向平行，与基准面B(3)组成俯仰角测量单元；电涡流位移传感器C(8)竖直安装在连接板B(10)上，且与电涡流传感器B(7)的连线与导轨运动方向垂直，与基准面B(3)组成滚转角测量单元；电涡流位移传感器D(9)和电涡流位移传感器E(11)水平安装在连接板B(10)上，且两个电涡流传感器的连线与导轨运动方向平行，与基准面A(1)组成偏摆角测量单元；
导轨滑块沿导轨移动过程中，电涡流会在基准面A(1)上扫描一条直线，电涡流位移传感器D(9)和E(11)探头位于扫描直线侧面；基准面B(3)上设有两条扫描直线，电涡流位移传感器A(5)、电涡流位移传感器B(7)和电涡流位移传感器C(8)探头分别位于扫描直线上方。
2.根据权利要求1所述的导轨五自由度误差在线测量装置，其特征在于，标定装置包括准直仪(12)、自准直仪(13)和水平仪(14)。
3.采用权利要求2所述的在线测量装置测量导轨五自由度误差的方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：标定基准面A(1)和B(3)对导轨五自由度误差测量产生的变化量；
步骤1-1，首先将激光准直仪(12)的四象限接收器固定在运动平台(4)上，使准直仪(12)的测量轴线与电涡流位移传感器C(8)和D(9)的距离最小，减少布莱恩误差的影响；从导轨(2)的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录准直仪(12)及电涡流位移传感器C(8)和D(9)的数值；
步骤1-2：将自准直仪(13)的靶镜固定在运动平台(4)上，使自准直仪(13)的测量轴线与电涡流位移传感器A(5)和电涡流位移传感器B(7)的连线平行，且与导轨运动方向平行；从导轨(2)的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，记录自准直仪(13)俯仰角与偏摆角测量数据、电涡流位移传感器A(5)和电涡流位移传感器B(7)组成的俯仰角测量单元数值、电涡流位移传感器D(9)和E(11)组成的偏摆角测量单元数值；
步骤1-3：将水平仪(14)固定在运动平台(4)上，使水平仪(14)的测量轴线与电涡流位移传感器B(7)和C(8)的连线平行，且与导轨运动方向垂直；从导轨(2)的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录水平仪(14)及电涡流位移传感器B(7)和C(8)组成的滚转角测量单元数值；
步骤1-4：由准直仪(12)及电涡流位移传感器C(8)和D(9)的数值计算出基准面误差对竖直和水平方向直线度误差测量产生的变化量；由自准直仪(13)及俯仰角测量单元数值计算出基准面误差对俯仰角误差测量产生的角度变化量；由自准直仪(13)及偏摆角测量单元数值计算出基准面误差对偏摆角误差测量产生的角度变化量；由水平仪(14)及滚转角测量单元数值计算出基准面误差对滚转角误差测量产生的角度变化量；
步骤1-5：对步骤1-1至1-4得出的基准面误差对导轨五自由度误差测量产生的变化量进行最小二乘拟合，建立最优拟合函数，拟合得到整个行程内任意点基准面误差对五自由度误差测量产生的变化量；标定后的基准面作为导轨五自由度误差测量的基准，进行误差补偿，保证测量的精度；
步骤2：导轨五自由度误差测量；
步骤2-1：将运动平台(4)沿导轨(2)滑动，五个电涡流位移传感器探头分别扫描各自对应的基准；
步骤2-2：在导轨直线度误差测量过程中，任意位置处电涡流位移传感器C(8)和D(9)的数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对直线度误差测量产生的变化量进行补偿，即计算出导轨的直线度误差；
步骤2-3：在导轨俯仰角和偏摆角误差测量过程中，任意位置处的俯仰角测量单元数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对俯仰角误差测量产生的角度变化量进行补偿，即计算出导轨的俯仰角误差；任意位置处的偏摆角测量单元数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对偏摆角误差测量产生的角度变化量进行补偿，即计算出导轨的偏摆角误差；
步骤2-4：在导轨滚转角误差测量过程中任意位置处的滚转角测量单元数值，通过误差补偿的方法将步骤1-5拟合出的基准对滚转角误差测量产生的角度变化量进行补偿，即计算出导轨的滚转角误差；
步骤2-5：导轨(2)运动状态分析：按照步骤2-2、步骤2-3和步骤2-4依次在线测量出导轨(2)各点的直线度误差、俯仰角误差，偏摆角误差和滚转角误差。
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