CN116222485A - 一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置 - Google Patents

一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置 Download PDF

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李状
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Abstract

本发明公开了一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，主要由探头、球形万向节、表架、平面电机和数据处理装置组成，可实现对直线导轨直线度、平行度及表面微观形貌的高精密测量。本发明采用平面电机作为驱动装置，带动探头在测试平面内进行两自由度平动和偏转，消除了振动、摩擦磨损对检测数据的影响，通过控制探头位姿变化，降低了安装误差对检测结果的影响，并精准获取导轨表面信息。经过数据处理装置对检测数据进行拼接拟合计算，完成导轨精度测量。本发明具有抗干扰能力强、支撑刚度高的优点，特别适用于高精密直线导轨、超长导轨等测量场景。

Description

一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置
技术领域
本发明涉及高精密数控机床导轨精度测量领域，特别是一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置。
背景技术
精密数控机床广泛应用于航空、航天、车辆工程等精密制造领域，其加工精度直接决定了国家制造业水平。直线导轨作为机床的关键功能部件，在加工过程中受到外界载荷和温度的影响，会发生微小形变，导致几何误差的出现，降低了机床精度。围绕几何误差开展的误差补偿法是提升机床加工精度的有效手段，通过软件对机床原有几何误差进行抵消，实现了误差的修正。精确的误差测量是误差补偿工作的前提，目前多采用机床干涉仪、干涉镜和平面反射镜组的方法测量机床误差，通过将镜组放置床身上，利用数控***控制运动平台进给，直接获取导轨几何误差值。但这种方法需要多种仪器配合使用，增加了设备安装误差，同时机床运行存在振动、摩擦磨损等因素，降低了误差检测精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提出一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，消除了摩擦磨损和振动对检测结果的影响，具有操作简单，抗干扰能力强，支撑刚度高等优势，特别适用于高精度、大量程直线导轨误差测量。
本发明的技术解决方案为：一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于，主要由探头、球形万向节、表架、平面电机和数据处理装置组成。导轨***作为检测装置应用对象，主要包括机床床身、直线导轨、螺栓。探头位于直线导轨的上端，并连接在球形万向节上，保证与直线导轨的被测平面保持垂直接触，球形万向节固定安装在表架上，表架位于平面电机的轴向上端，通过磁吸方式连接，平面电机位于机床床身和直线导轨的径向一侧，呈平行排布，数据处理装置与探头连接，并对数据采集结果进行分析处理。
所述的球形万向节可实现空间三坐标方向135°任意角度偏转，可完成直线导轨顶面、端面和侧面的精度测量；所述的表架采用可伸缩式中空结构，内嵌位移传感器，可实时获取表架位置信息；所述的数据处理装置采用拼接算法进行数据处理，可完成超长直线导轨精度测量。
上述方案的原理是：本发明提出的一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，可实现大量程直线导轨直线度误差、平行度误差和表面微观形貌测量。首先将平面电机安装在机床床身一侧，保证平行安装。表架通过磁吸方式固定在平面电机动子顶端，球形万向节垂直装夹与表架横梁末端，可带动探头空间三坐标方向135°以内任意角度偏转。表架采用可伸缩式结构，内部采用中空结构，并嵌有激光位移传感器，可测量表架立柱和横梁的位置信息，并将数据传递至平面电机控制器，通过调整绕组电流大小和方向，控制平面电机产生两自由度偏摆，实现探头的位姿控制。经过平面电机和表架的联动，保证探头与直线导轨平面接触。利用平面电机带动探头完成径向两自由度平动，实现了直线导轨直线度、表面形貌信息以及平行度数据采集。数据处理装置对信息进行分析计算，完成直线导轨精度测量。同时数据处理装置还内嵌数据拼接算法，可实现超长直线导轨高精度测量。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置相比于激光干涉仪测量法，消除了测量过程中的振动、摩擦磨损对测量精度的影响。将磁悬浮技术引入到导轨精度测量领域，利用平面电机实现探头位姿控制，降低了安装误差对测量结果的影响，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明技术解决方案结构原理图；
图2为本发明技术解决方案球形万向节局部剖视图；
图3为本发明技术解决方案表架组件图；
图4为本发明技术解决方案平面电机组件图；
图5为本发明技术解决方案直线导轨精度测量场景图；
具体实施方式
如图1所示为本发明技术解决方案结构原理图，一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于，主要由探头4、球形万向节5、表架6、平面电机7和数据处理装置8组成。导轨***作为检测装置应用对象，主要包括机床床身1、直线导轨2、螺栓3。探头4位于直线导轨2的上端，并连接在球形万向节5上，保证与直线导轨2的被测平面保持垂直接触，球形万向节5固定安装在表架6上，表架6位于平面电机7的轴向上端，通过磁吸方式连接，平面电机7位于机床床身1和直线导轨2的径向一侧，呈平行排布，数据处理装置8与探头4连接，并对数据采集结果进行分析处理。
如图2所示为本发明技术解决方案的球形万向节局部剖视图，球形万向节组件由装夹轴501、球形外壳502、和转动柱503组成；装夹轴501垂直装夹于表架组件6上，不具有空间自由度运动，球形外壳502固定于装夹轴501上，起到防护作用，并沿装夹轴501方向和圆周方向留有四个圆孔用于安装探头4，转动柱503安装于装夹轴501上端和球形外壳内部，端部与探头4连接，可沿空间三自由度145°以内旋转，可用于导轨端面和侧面表面微观形貌、直线度误差、平行度误差测量，还可适用于平床身、斜床身导轨精度测量。
如图3所示为本发明技术解决方案的表架组件图，表架6采用可拆装结构，主要包括底座601、立柱602、立柱传感器603、横梁604、横梁传感器605；底座601位于最底部，起到平稳固定作用，立柱602通过螺纹安装在底座601的轴向上端，并采用中空结构，立柱传感器603内嵌于立柱602内，横梁604采用中空结构，通过螺纹垂直安装在立柱602上，横梁传感器605内嵌于横梁604内；其中立柱602和横梁604均采用拼接结构，具有伸缩功能，适用于不同情景，立柱传感器603和横梁传感器605分别检测立柱和横梁中心空间位置信息，并将检测到的数据传递到平面电机控制器，通过控制器输出相应电流至对应绕组，产生角度精确补偿。
如图4所示为本发明技术解决方案平面电机组件图，平面电机组件主要包括：轴向定子导轨701、轴向动子702、绕组703、防护装置704、前径向定子705、后径向定子706、径向动子707；定子导轨701位于轴向动子702、绕组703、配重装置704、前径向定子705、后径向定子706、径向动子707的轴向下端，轴向动子702位于定子导轨701的轴向上端，左前绕组703A、右前绕组703B、右后绕组703C、左后绕组703D固连在轴向动子702下方，并与定子导轨701之间存在0.5mm间隙，左前防护装置704A、右前防护装置704B、右后防护装置704C、左后防护装置704D，位于左前绕组703A、右前绕组703B、右后绕组703C、右后绕组703D的径向外侧，前径向定子705固定于轴向动子702的轴向上端，后径向定子706位于前径向定子705的轴向后端，径向动子707位于轴向动子702、前径向定子705和后径向定子706的轴向上方，并与前径向定子705和后径向定子706之前存在0.5mm间隙。
如图5所示为本发明技术解决方案直线导轨精度测量场景图，可用于直线导轨直线度、表面微观形貌、平行度测量，以导轨端面精度检测过程为例，通过平面电机7带动探头4沿着左直线导轨2A从a运动到b点，完成直线度和表面微观形貌测量；基于直线度测量数据，控制平面电机7和表架6横梁伸缩运动，将探头4从左直线导轨2A的a点处移动到右直线度导轨2B的c点处，重复直线度测量动作，并对两组数据进行分析，完成平行度测量；
数据处理装置8中集成的拼接算法主要为ICP(IterativeClosestPoint)算法又称最近邻迭代算法，记录上一段测量数据点位置信息记为Mi，下一段测量数据点记为Nj，通过旋转向量R(θ0，θx，θy，θz)和平移向量T(qx，qy，qz)进行运动描述，具体计算步骤如下：
首先初始化坐标，旋转向量和平向量分别为R(0)和T(0)。
其次，对上一段末端数据M{mi|i＝1,2,L,Np}进行计算，得到N数据的最近距离mi(k)，若两段数据可以对应，利用四元数法进行求解，并对计算结果收敛性进行判断。
最后得到最优R和T，完成测量数据拼接；
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，导轨***作为该检测装置应用对象，包括机床床身(1)、直线导轨(2)、螺栓(3)；其特征在于，该检测装置由探头(4)、球形万向节(5)、表架(6)、平面电机(7)和数据处理装置(8)组成；探头(4)位于直线导轨(2)的上端，并连接在球形万向节(5)上，保证与直线导轨(2)的被测平面保持垂直接触；所述球形万向节(5)固定安装在表架(6)上，表架(6)位于平面电机(7)的轴向上端，通过磁吸方式连接，平面电机(7)位于机床床身(1)和直线导轨(2)的径向一侧，呈平行排布，数据处理装置(8)与探头(4)连接，并对数据采集结果进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于：所述的球形万向节(5)能够实现空间三坐标方向135°任意角度偏转，完成直线导轨顶面、端面和侧面的精度测量。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于：所述的表架(6)采用可伸缩式中空结构，内嵌位移传感器，实时获取表架位置信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于：所述的数据处理装置(8)采用拼接算法进行数据处理，完成超长直线导轨精度测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于：数据处理装置中集成的拼接算法为ICP算法又称最近邻迭代算法，记录上一段测量数据点位置信息记为Mi，下一段测量数据点记为Nj，通过旋转向量R(θ0，θx，θy，θz)和平移向量T(qx，qy，qz)进行运动描述，具体计算步骤如下：
首先初始化坐标，旋转向量和平向量分别为R(0)和T(0)；
其次，对上一段末端数据M{mi|i＝1,2,L,Np}进行计算，得到N数据的最近距离mi(k)，若两段数据对应，利用四元数法进行求解，并对计算结果收敛性进行判断；
得到最优R和T，完成测量数据拼接。
6.根据权利要求1所述的一种基于平面电机的直线导轨精度检测装置，其特征在于：表架采用可拆装结构，包括底座、立柱、立柱传感器、横梁、横梁传感器；底座位于最底部，起到平稳固定作用，立柱通过螺纹安装在底座的轴向上端，并采用中空结构，立柱传感器内嵌于立柱内，横梁采用中空结构，通过螺纹垂直安装在立柱上，横梁传感器内嵌于横梁内；其中立柱和横梁均采用拼接结构，立柱传感器和横梁传感器分别检测立柱和横梁中心空间位置信息，并将检测到的数据传递到平面电机控制器，通过控制器输出相应电流至对应绕组，产生角度精确补偿。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117781946A (zh) * 2023-12-15 2024-03-29 武汉万曦智能科技有限公司 一种导轨直线度检测机器人及检测方法

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