CN112192317B - 使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法。球杆仪产品本身只能检测出沿其轴向敏感方向上的误差变化。本发明中与加长杆及主轴工具杯相连接的球杆仪一，同传统的球杆仪一样用于测量多轴机床主轴在理论平面内的圆弧插补运动所产生的误差；与承重杆及加长杆相连的球杆仪二用于测量垂直于多轴机床主轴运动理论平面方向的主轴运动误差。本发明使用两个球杆仪同时进行测量，可以准确获得多轴机床主轴在被测位置的空间三维方向的几何误差量；可以根据检测现场的不同，在加长杆与球杆仪一之间加装不同长度的杆来调节中心轴两侧的长度比例，成倍地放大或缩小此误差，利于球杆仪二对此误差的高精度检测。

Description

使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法

技术领域

本发明属于机床误差检测技术领域，具体涉及一种使用双球杆仪测量多轴机床主轴空间三维误差的装置与方法。

背景技术

现代工业对多轴机床加工精度有着越来越高的要求。但多轴机床各轴间的装配、相互运动关系及其制造精度等问题，都会影响到多轴机床的加工精度。因此，对多轴机床输出端主轴的运动误差进行检测成为一项重要的工作，而如何快速、有效地检测出多轴机床输出端主轴的运动误差是其中的关键，也是进行误差补偿的基础。

在现有的多种测量设备中，球杆仪相对于其他检测设备具有价格低、安装便捷、检测效率高等优势。作为一种已经商品化的检测机床误差的仪器，球杆仪可以检测出机床单轴直线度、两轴垂直度、反向越冲、反向间隙等的机床主要几何误差。

在使用球杆仪对机床的几何误差进行检测时，通常情况是令多轴机床的其中两轴联动，其余轴固定，使得输出端主轴在某一平面内做圆弧插补运动。但是由于各轴间的装配关系、传动轴的安装偏心、传动间隙、热变形等原因，导致多轴机床输出端主轴的运动不仅仅是在理想的平面内，而是多个方向的耦合误差。但是球杆仪产品本身只能检测出沿其轴向敏感方向上的误差变化，最终解得两个方向的误差量，对多轴机床输出端主轴其他方向的几何误差无法进行检测。

发明内容

为了弥补现有球杆仪产品测量方向单一的缺陷，本发明提出一种使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，使用两个球杆仪，结合加长杆、承重杆、三点支撑式磁性球窝、同步旋转件、中心轴等，对多轴机床输出端主轴空间三维方向上的运动几何误差进行测量，且可以根据测量场合的需要，通过在加长杆及球杆仪一之间加装不同长度的杆来调节中心轴两侧的长度比例，成倍地放大或缩小多轴机床输出端主轴在垂直于球杆仪一敏感方向上的运动误差量，从而利于球杆仪二对此误差的高精度检测。本发明适用于普通机床、数控机床、超精密机床等多轴机床输出端主轴的运动误差检测。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案具体如下：

本发明使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，具体如下：

步骤一、将圆盖通过法兰轴承一和法兰轴承二支承在中心轴上；然后，将磁性球窝一底部的外螺纹与中心轴顶部的螺纹孔连接,中心轴底部的外螺纹与底座工具杯顶部的螺纹孔连接；最后，将支架与圆盖固定；

步骤二、将主轴工具杯固定在待测多轴机床的输出端主轴上，底座工具杯通过磁力吸附固定在待测多轴机床的工作台上；

步骤三、将磁性球窝二和磁性球窝三的外螺纹与加长杆两端的螺纹孔分别连接；将磁性球窝四的外螺纹与承重杆一端的螺纹孔连接，承重杆另一端的螺纹孔与精密球一底部的外螺纹连接；然后，使用球杆仪二分别对加长杆两端磁性球窝二和磁性球窝三的球心距以及承重杆两端磁性球窝四和精密球一的球心距进行标定；

步骤四、将球杆仪一非敏感端的螺纹孔与加长杆靠近磁性球窝三位置处的外螺纹连接，此时，磁性球窝二的球心、磁性球窝三的球心和球杆仪一敏感端的精密球二球心位于同一直线上；将精密球一吸附在磁性球窝三中，然后在校准块规上对球杆仪一敏感端的精密球二与精密球一的球心距进行标定校准，并记录校准后精密球二与精密球一的球心距有效长度L₁，以及球杆仪一测得的精密球二与精密球一的球心距误差值x₀。

步骤五、将加长杆中部嵌入支架开设的夹槽内，将承重杆上的精密球一通过磁力吸附在中心轴顶端的磁性球窝一中；然后，将承重杆中部固定于支架上；最后，将球杆仪一敏感端的精密球二通过磁力吸附在主轴工具杯上；

步骤六、将球杆仪二非敏感端的精密球三通过磁力吸附在承重杆上的磁性球窝四中，将球杆仪二敏感端的精密球四吸附在加长杆上的磁性球窝二中；然后，将球杆仪一和球杆仪二的球杆仪采集***均连接处理器；

步骤七、令待测多轴机床做圆弧插补运动，球杆仪一的球杆仪采集***采集球杆仪一的输出信号给处理器，球杆仪二的球杆仪采集***采集球杆仪二的输出信号给处理器，处理器处理后得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

处理器得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上运动误差量的过程，具体如下：

记加长杆的有效长度为L₂，承重杆的有效长度为L₃，球杆仪二的有效长度为L₄，L₂的取值等于已标定的加长杆两端磁性球窝二和磁性球窝三的球心距，L₃的取值等于已标定的承重杆两端磁性球窝四和精密球一的球心距；记待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动时，球杆仪一检测到沿轴向的杆长伸缩量为ΔL₁，球杆仪二检测到沿轴向的杆长伸缩量为ΔL₄。

初始状态时，记加长杆与球杆仪二之间的夹角为α，由三角形余弦定理有：

即：

则球杆仪二在垂直于加长杆方向的分量长度y₁为：

待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动时，记加长杆与球杆仪二之间的夹角为β，由三角形余弦定理有：

即：

则球杆仪二在垂直于加长杆方向的分量长度y₂为：

所以球杆仪二在垂直于加长杆方向的分量长度变化量为：

由于加长杆是一个以磁性球窝三的球心为支点的杠杆，所以，h₂对应到待测多轴机床的输出端主轴在垂直于理论运动平面方向产生的误差值h₁为：

即：

而将球杆仪一测得的待测多轴机床输出端主轴沿球杆仪一轴向上的运动误差量分解为平行于理论运动平面内的二维误差，再结合误差值h₁，便得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

优选地，所述加长杆、承重杆、中心轴、圆盖和支架的材料均为殷钢。

优选地，所述的磁性球窝一、磁性球窝二、磁性球窝三和磁性球窝四均为三点支撑式磁性球窝；所述的三点支撑式磁性球窝内固定定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

优选地，步骤二之后还有如下步骤：将调节球放置到中心轴上的磁性球窝一上，并将底座工具杯的紧固拉杆调至松开状态；然后将待测多轴机床的输出端主轴移动至调节球正上方h处，h在0.3～1cm范围内取值，提高中心轴，使调节球受磁力作用吸附到主轴工具杯上；使中心轴转动两周后，拉紧底座工具杯的紧固拉杆，将待测多轴机床的输出端主轴当前位置记为测量坐标的原点；接着，将待测多轴机床的输出端主轴上升3～5cm，取下调节球，重新将待测多轴机床的输出端主轴运动至测量坐标的原点位置；最后，将待测多轴机床的输出端主轴水平平移至预设的待测位置。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明使用两个球杆仪同时进行测量，利用两个球杆仪在敏感方向上的杆长变化量，可以准确获得多轴机床主轴在被测位置的空间三维方向的几何误差量。其中，与加长杆及主轴工具杯相连接的球杆仪一，同传统的球杆仪一样用于测量多轴机床主轴在理论平面内的圆弧插补运动所产生的误差；与承重杆及加长杆相连的球杆仪二用于测量垂直于多轴机床主轴运动理论平面方向的主轴运动误差。可见，本发明在现有球杆仪的测量基础上，精准地测量了现有球杆仪测量所不能获得的垂直于测量平面的几何误差量，利于更精准地分析多轴机床产生误差的原因。

2.本发明的两个球杆仪在工作时互不影响，但其测量结果的合成能够反映出多轴机床主轴的空间三维方向上的误差量。其中，两个球杆仪通过同步旋转件同步围绕中心轴回旋进行测量，可确保在高速进给加减速时，所运动的旋转角度都是精准同一的，即采集的误差数据来源于同一个位置点，更利于测量轨迹图的合成与多轴机床的误差辨识，为多轴机床进行相应的补偿提供了理论基础。

3.本发明的加长杆应用杠杆原理来放大或缩小多轴机床主轴在垂直于运动平面所产生的误差，可以根据检测现场的不同，在加长杆与球杆仪一之间加装不同长度的杆来调节中心轴两侧的长度比例，成倍地放大或缩小此误差，利于球杆仪二对此误差的高精度检测。

4.本发明的球杆仪二在测量垂直于多轴机床主轴运动理论平面方向的主轴运动误差时，具有误差放大的测量效果。因为所测误差仅为球杆仪二在沿其轴向上伸缩量的分量，根据三角形斜边长与直角边的关系可知，球杆仪二的伸缩量大于误差量，而且，球杆仪二的轴向与机床在垂直于多轴机床主轴运动理论平面方向的主轴运动误差间的夹角准确可求。由此，本发明利于机床误差的检测及辨识。

5.本发明简单可靠，可以适用于不同角度的安装测量，可以直接在现有球杆仪的测量基础上进行推广应用。

附图说明

图1为本发明的总装图；

图2为本发明测量多轴机床空间三维几何误差的原理图；

图3为本发明的中心轴、底座工具杯、圆盖以及支架的装配剖视图；

图中：1、主轴工具杯；2、精密球二；3、球杆仪一；4、磁性球窝一；5、中心轴；6、法兰轴承二；7、圆盖；8、底座工具杯；9、紧固拉杆；10、螺栓一；11、螺栓二；12、精密球三；13、磁性球窝四；14、球杆仪二；15、支架；16、精密球四；17、磁性球窝二；18、加长杆；19、承重杆；20、磁性球窝三；21、精密球一；22、法兰轴承一。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，具体如下：

步骤一、将圆盖7通过法兰轴承一22和法兰轴承二6支承在中心轴5上，即法兰轴承一22的内圈套在中心轴5外，圆盖7套在法兰轴承一22的外圈外，法兰轴承二6的内圈套在中心轴5外，法兰轴承二6的外圈置于圆盖7内，圆盖7的两端分别由法兰轴承二6的外圈和法兰轴承一22的外圈轴向限位；然后，将磁性球窝一4底部的外螺纹与中心轴5顶部的螺纹孔连接。中心轴5底部的外螺纹与底座工具杯8顶部的螺纹孔连接；最后，将支架15与圆盖7通过螺栓一10和螺母固定；支架15和圆盖7组成同步旋转件；

步骤二、将主轴工具杯1固定在待测多轴机床的输出端主轴上，底座工具杯8通过磁力吸附固定在待测多轴机床的工作台上；

步骤三、将磁性球窝二17和磁性球窝三20的外螺纹与加长杆18两端的螺纹孔分别连接；将磁性球窝四13的外螺纹与承重杆19一端的螺纹孔连接，承重杆19另一端的螺纹孔与精密球一21底部的外螺纹连接；然后，使用球杆仪二分别对加长杆18两端磁性球窝二17和磁性球窝三20的球心距以及承重杆19两端磁性球窝四13和精密球一21的球心距进行标定；

步骤四、将球杆仪一3非敏感端的螺纹孔与加长杆18靠近磁性球窝三20位置处的外螺纹连接，此时，磁性球窝二17的球心、磁性球窝三20的球心和球杆仪一3敏感端的精密球二2球心位于同一直线上；将精密球一21吸附在磁性球窝三20中，然后在校准块规上对球杆仪一3敏感端的精密球二2与精密球一21的球心距进行标定校准，并记录校准后精密球二2与精密球一21的球心距有效长度L₁，以及球杆仪一3测得的精密球二2与精密球一21的球心距误差值x₀；其中，精密球二2与精密球一21的球心距即为精密球二2与磁性球窝三20的球心距。

步骤五、将加长杆18中部嵌入支架15开设的夹槽内，将承重杆19上的精密球一21通过磁力吸附在中心轴5顶端的磁性球窝一4中；然后，将承重杆19中部通过螺栓二11和螺母固定于支架15上；最后，将球杆仪一3敏感端的精密球二2通过磁力吸附在主轴工具杯1上；

步骤六、将球杆仪二14非敏感端的精密球三12通过磁力吸附在承重杆19上的磁性球窝四13中，将球杆仪二14敏感端的精密球四16吸附在加长杆18上的磁性球窝二17中；然后，将球杆仪一3和球杆仪二14的球杆仪采集***均连接处理器；

步骤七、令待测多轴机床做圆弧插补运动，由于加长杆18和承重杆19沿圆盖7周向上与支架15均无相对运动，保证了球杆仪一3和球杆仪二14始终围绕中心轴5的中心轴线旋转同样的角度；球杆仪一3的球杆仪采集***采集球杆仪一3的输出信号给处理器，球杆仪二14的球杆仪采集***采集球杆仪二14的输出信号给处理器，处理器处理后得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

如图2所示，处理器得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上运动误差量的过程，具体如下：

记加长杆18的有效长度为L₂，承重杆19的有效长度为L₃，球杆仪二14的有效长度为L₄，L₂的取值等于已标定的加长杆18两端磁性球窝二17和磁性球窝三20的球心距，L₃的取值等于已标定的承重杆19两端磁性球窝四13和精密球一21的球心距；记待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动时，球杆仪一3检测到沿轴向的杆长伸缩量为ΔL₁，球杆仪二14检测到沿轴向的杆长伸缩量为ΔL₄；其中，ΔL₁通过球杆仪一3测量可得，为已知量，ΔL₄通过球杆仪二14测量可得，为已知量。

精密球一21的球心所在位置记为点O，精密球三12的球心所在位置记为点C；初始状态时，精密球二2的球心所在位置记为点A，精密球四16的球心所在位置记为点B，记加长杆18与球杆仪二14之间的夹角为α，由三角形余弦定理有：

即：

则球杆仪二14在垂直于加长杆18方向的分量长度y₁为：

待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动时，精密球二2的球心所在位置记为点A₁，精密球四16的球心所在位置记为点B₁，记加长杆18与球杆仪二14之间的夹角为β，由三角形余弦定理有：

即：

则球杆仪二14在垂直于加长杆方向的分量长度y₂为：

所以球杆仪二14在垂直于加长杆方向的分量长度变化量为：

由于加长杆18是一个以磁性球窝三20的球心为支点的杠杆，所以，h₂对应到待测多轴机床的输出端主轴在垂直于理论运动平面(不考虑运动误差时待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动所在的平面)方向产生的误差值h₁为：

即：

而将球杆仪一3测得的待测多轴机床输出端主轴沿球杆仪一3轴向上的运动误差量分解为平行于理论运动平面内的二维误差，再结合误差值h₁，便得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

其中，球杆仪一3的测量与传统球杆仪的测量完全相同(测得待测多轴机床输出端主轴在理论运动平面内沿圆弧半径方向的误差，能分解为平行于理论运动平面内的二维误差)；球杆仪采集***能调节成根据待测多轴机床做圆弧插补运动的进给率进行数据采集，相当于待测多轴机床输出端主轴围绕回转中心轴线旋转一定角度，球杆仪采集***就采集一次数据，因而最终能测绘出待测多轴机床输出端主轴做圆弧插补运动的误差圆轨迹图。另外，球杆仪一3和球杆仪二14通过支架15围绕中心轴5的中心轴线同步旋转，保证了球杆仪一3和球杆仪二14始终围绕中心轴5的中心轴线旋转同样的角度，使得球杆仪一3和球杆仪二14的球杆仪采集***采集的数据始终来源于待测多轴机床输出端主轴所处的同一个位置点，因此误差值h₁也按照位置点顺序依次叠加到球杆仪一3在对应位置点所采集到的数据上，最终得到了待测多轴机床输出端主轴在空间三维方向的运动误差量。可见，本发明能简单、快捷、准确、有效地测量传统单个球杆仪所不能检测到的多轴机床输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

作为优选实施例，加长杆18、承重杆19、中心轴5、圆盖7和支架15的材料均为热膨胀系数低、具有一定刚度的殷钢。

作为优选实施例，磁性球窝一4、磁性球窝二17、磁性球窝三20和磁性球窝四13均为三点支撑式磁性球窝；三点支撑式磁性球窝内固定定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

作为优选实施例，步骤二之后还有如下步骤：将调节球放置到中心轴5上的磁性球窝一4上，并将底座工具杯8的紧固拉杆9调至松开状态；然后将待测多轴机床的输出端主轴移动至调节球正上方h处，h在0.3～1cm范围内取值，提高中心轴5，使调节球受磁力作用吸附到主轴工具杯1上；使中心轴5转动两周后，拉紧底座工具杯8的紧固拉杆9，将待测多轴机床的输出端主轴当前位置记为测量坐标的原点；接着，将待测多轴机床的输出端主轴上升3～5cm，取下调节球，重新将待测多轴机床的输出端主轴运动至测量坐标的原点位置；最后，将待测多轴机床的输出端主轴水平平移至预设的待测位置。

Claims (5)

1.使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、将圆盖通过法兰轴承一和法兰轴承二支承在中心轴上；然后，将磁性球窝一底部的外螺纹与中心轴顶部的螺纹孔连接,中心轴底部的外螺纹与底座工具杯顶部的螺纹孔连接；最后，将支架与圆盖固定；

步骤二、将主轴工具杯固定在待测多轴机床的输出端主轴上，底座工具杯通过磁力吸附固定在待测多轴机床的工作台上；

步骤三、将磁性球窝二和磁性球窝三的外螺纹与加长杆两端的螺纹孔分别连接；将磁性球窝四的外螺纹与承重杆一端的螺纹孔连接，承重杆另一端的螺纹孔与精密球一底部的外螺纹连接；然后，使用球杆仪二分别对加长杆两端磁性球窝二和磁性球窝三的球心距以及承重杆两端磁性球窝四和精密球一的球心距进行标定；

步骤四、将球杆仪一第二端部的螺纹孔与加长杆靠近磁性球窝三位置处的外螺纹连接，此时，磁性球窝二的球心、磁性球窝三的球心和球杆仪一第一端部的精密球二球心位于同一直线上；将精密球一吸附在磁性球窝三中，然后在校准块规上对球杆仪一第一端部的精密球二与精密球一的球心距进行标定校准，并记录校准后精密球二与精密球一的球心距有效长度L₁；

步骤五、将加长杆中部嵌入支架开设的夹槽内，将承重杆上的精密球一通过磁力吸附在中心轴顶端的磁性球窝一中；然后，将承重杆中部固定于支架上；最后，将球杆仪一第一端部的精密球二通过磁力吸附在主轴工具杯上；

步骤六、将球杆仪二第二端部的精密球三通过磁力吸附在承重杆上的磁性球窝四中，将球杆仪二第一端部的精密球四吸附在加长杆上的磁性球窝二中；然后，将球杆仪一和球杆仪二的球杆仪采集***均连接处理器；

步骤七、令待测多轴机床做圆弧插补运动，球杆仪一的球杆仪采集***采集球杆仪一的输出信号给处理器，球杆仪二的球杆仪采集***采集球杆仪二的输出信号给处理器，处理器处理后得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

2.根据权利要求1所述使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，其特征在于：处理器得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上运动误差量的过程，具体如下：

记加长杆的有效长度为L₂，承重杆的有效长度为L₃，球杆仪二的有效长度为L₄，L₂的取值等于已标定的加长杆两端磁性球窝二和磁性球窝三的球心距，L₃的取值等于已标定的承重杆两端磁性球窝四和精密球一的球心距；记待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动时，球杆仪一检测到沿轴向的杆长伸缩量为ΔL₁，球杆仪二检测到沿轴向的杆长伸缩量为ΔL₄；

初始状态时，记加长杆与球杆仪二之间的夹角为α，由三角形余弦定理有：

即：

则球杆仪二在垂直于加长杆方向的分量长度y₁为：

待测多轴机床的输出端主轴做圆弧插补运动时，记加长杆与球杆仪二之间的夹角为β，由三角形余弦定理有：

即：

则球杆仪二在垂直于加长杆方向的分量长度y₂为：

所以球杆仪二在垂直于加长杆方向的分量长度变化量为：

由于加长杆是一个以磁性球窝三的球心为支点的杠杆，所以，h₂对应到待测多轴机床的输出端主轴在垂直于理论运动平面方向产生的误差值h₁为：

即：

而将球杆仪一测得的待测多轴机床输出端主轴沿球杆仪一轴向上的运动误差量分解为平行于理论运动平面内的二维误差，再结合误差值h₁，便得到待测多轴机床的输出端主轴在空间三维方向上的运动误差量。

3.根据权利要求1或2所述使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，其特征在于：所述加长杆、承重杆、中心轴、圆盖和支架的材料均为殷钢。

4.根据权利要求1或2所述使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，其特征在于：所述的磁性球窝一、磁性球窝二、磁性球窝三和磁性球窝四均为三点支撑式磁性球窝；所述的三点支撑式磁性球窝内固定定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

5.根据权利要求2所述使用双球杆仪测量机床主轴空间三维误差的方法，其特征在于：步骤二之后还有如下步骤：将调节球放置到中心轴上的磁性球窝一上，并将底座工具杯的紧固拉杆调至松开状态；然后将待测多轴机床的输出端主轴移动至调节球正上方h处，h在0.3～1cm范围内取值，提高中心轴，使调节球受磁力作用吸附到主轴工具杯上；使中心轴转动两周后，拉紧底座工具杯的紧固拉杆，将待测多轴机床的输出端主轴当前位置记为测量坐标的原点；接着，将待测多轴机床的输出端主轴上升3～5cm，取下调节球，重新将待测多轴机床的输出端主轴运动至测量坐标的原点位置；最后，将待测多轴机床的输出端主轴水平平移至预设的待测位置。

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