CN101713627B - 一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，包括：布点步骤；读数变换步骤：使用所述水平仪获得各段测量值，进行坐标变换获得同基准下各观测点高度差；确定步骤：通过最小二乘法确定中心平面，并计算出平面度误差；平面度误差比较步骤；高度差比较步骤：若符合几何精度要求值，则为符合几何精度要求值，结束整个过程。本发明使工作台平面最终收敛于规定基准所在的水平面。通过该方法，使机床切削速度、加工效率提高，并且具有免维护、速度平稳、高定位精度的特点。

Description

一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法

技术领域

本发明涉及一种使用直线电机驱动的机床滑台的几何调整精度检测及方法以及通过装配来减少几何精度误差的调整方法。

背景技术

随着直线电机技术的完善，直线电机已被运用到高速精密加工的数控机床设计中来。相比于原先的伺服电机驱动滚珠丝杠形式，直线电机直接驱动形式的机床不但切削速度、加工效率有很大提高，而且具有免维护、无滚珠丝杠副、零回程间隙、速度平稳、高定位精度等特点。但同时，由于直线电机初级与次级之间有很大的电磁力，会使得机床的滑台或导轨产生较大的形变，从而对加工精度有严格要求的机床提出了新的几何结构及精度要求。

因此如何建立直线电机驱动机床滑台的几何精度检测及调整方法，此乃是本申请人长期以来一直致力研究的内容之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，通过该方法，以使机床切削速度、加工效率提高，并且具有免维护、速度平稳、高定位精度的特点。

本发明所提供的一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，包括下列步骤：

布点步骤：在机床的滑台工作台面上布点，确定测量范围及主观测点，并确定测量路线及每条测量线；

读数变换步骤：使用所述水平仪获得各段测量值，进行坐标变换获得同基准下各观测点高度差；

确定步骤：通过最小二乘法确定中心平面，并计算出平面度误差；

平面度误差比较步骤：将平面度误差与几何精度要求值进行比较，对于平面度误差不符合几何精度要求的情况，则改善设计加工，提高工作台面的加工精度；

高度差比较步骤：对于平面度误差符合几何精度要求，则将高度差与几何精度要求值进行比较：

若高度差不符合几何精度要求值，则确定支撑点高度偏差，并调整支

撑点高度，返回至所述读数变换步骤，重复上述测量调整过程；

若符合几何精度要求值，则为符合几何精度要求值，结束整个过程。

在上述的方法中，布点步骤中的布点方式采用对角线布点，所述的主观测点为滑台工作台各个支撑脚的中心点。

在上述的方法中，读数变换步骤中的坐标变换即将各项读数值转换到同一个平面之内，按线性进行变换。

在上述的方法中，高度差比较步骤中的调整方法为通过垫高或收紧四个支撑点来改变台面的平面度情况。

在上述的方法中，高度差比较步骤中的重复上述测量调整过程的次数为直至符合所述几何精度要求值所需要的次数，即工作台平面最终收敛于规定基准所在的水平面。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明针对直线电机驱动的机床工作台，使用精密水平仪在机床的滑台工作台面上布点测量，并进行调整，使工作台平面最终收敛于规定基准所在的水平面。通过该方法，使机床切削速度、加工效率提高，并且具有免维护、速度平稳、高定位精度的特点。

附图说明

图1是本发明直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法的流程示意图。

图2是本发明中选为主要测量点的工作台各个支撑脚的中心点排布示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的所提供的一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，包括下列步骤：

布点步骤：在机床的滑台工作台面上布点，确定测量范围及主观测点，并确定测量路线及每条测量线；

读数变换步骤：使用所述水平仪获得各段测量值a_i，进行坐标变换获得同基准下各观测点高度差；

确定步骤：通过最小二乘法确定中心平面，并计算出平面度误差；

平面度误差比较步骤：将平面度误差与几何精度要求值进行比较，对于平面度误差不符合几何精度要求的情况，则改善设计加工；

高度差比较步骤：对于平面度误差符合几何精度要求，则将高度差与几何精度要求值进行比较：

若高度差不符合几何精度要求值，则确定支撑点高度偏差，并调整支撑点高度，返回至所述读数变换步骤，重复上述测量调整过程；

若符合几何精度要求值，则为符合几何精度要求值，结束整个过程。

具体实施过程如下：

首先是测量点的选择问题。为了能够在不改动设计的情况下，从装配的角度对测量点的数值进行调整从而使工作台面的平面度误差控制在规定的范围之内。把工作台各个支撑脚的中心点选为主要的测量点。四个支撑的中心点分别为ABCD，如图2所示：。

根据国家标准，平面度的测量可以分为两类：直接测量法与间接测量法。本发明采用精密水平仪作为测量工具。水平仪法是间接测量法的一种，测量点的直接测量结果需要经过累积计算或坐标转换处理。而坐标变换的方式随测量点的布点方式不同与测量顺序不同都会有所变换。布点方式通常有网格布点方式和对角线布点方式两种。本发明采用对角线布点。

布点方式为封闭在矩形ABCD中的米字形。测量顺序为A-C，B-D，A-B，D-C，A-D，M₁-M₁′...M_n-1-M_n-1′，B-C。

上面的测量线分别直接测量，其读数值并不在同一平面内。想要计算处理数据，需要进行坐标变换，将各项读数值转换到同一个平面之内。按线性进行变换并且计算出计算测量点的直接测量结果。上述测量线上每一段通过水平仪测量示值为a_i，可以按下式计算出过渡坐标值：

${Z_i}^{\′}={Z_{i-1}}^{\′}+a_i=\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k(i=\mathrm{1,2}...n)$

Z₀＝0

要计算平面度误差首先要对测量线首末点进行平差，然后计算出相应情况下测量线上其他点的坐标值。由于A的读数值为0，所以AB，AC的初始值相同，设AD测量方向上分为m段，AB测量方向上分为n段。m，n的选择必须要保证AC与BD的中点重合，以便于处理。

由于使用水平仪时每次测量把测量初始值调至0，所以要使得AB线上的B点值与BD点的B值相等就需要对BD上的坐标值进行平移。平移量为

${\mathrm{\Δ}}_B={Z_B}^{\′}{{|}_{\mathrm{BD}}-{Z_B}^{\′}|}_{\mathrm{AB}}=-\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AB}}$

于是，BD测量线上各点变为

${Z_i}^{\′*}{|}_{\mathrm{BD}}=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{BD}}+\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AB}}$

而要使得BD中点与AC中点值相等，先固定AC，旋转BD，旋转系数按下面进行计算。

以B为旋转中心，为了使中点H点与AC线上的点重合，旋转系数：

$K_B=\frac{{Z_H}^{\′}{|}_{\mathrm{AC}}-{Z_H}^{\′}{|}_{\mathrm{BD}}}{0.5L_{\mathrm{BD}}}=\frac{\underset{k=0}{\overset{(m+1)/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AC}}-\underset{k=0}{\overset{(m+1)/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AC}}}{2L_{\mathrm{BD}}}$

这样可以求出个测量点的旋转量

Q_k|_BD＝(K_B×k×L_BD)/m，k＝0，1...m

计算得旋转后的BD线各点的值为：

${Z_i}^{\′\′}{|}_{\mathrm{BD}}=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{BD}}+\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AB}}+\frac{i}{2m}(\underset{k=0}{\overset{(m+1)/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AC}}-\underset{k=0}{\overset{(m+1)/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AC}})$

不妨设AB，AC坐标不进行变换。

按照上面的方法，通过平移和旋转，使AD，BC，DC测量线的首末点与转换后的AB，AC，BD测量线上相应的首末点等值，同时计算AD，BC，DC上其余各点的坐标值。

以A点为中心旋转AD线，得到AD的变换结果：

${Z_i}^{\′\′}{|}_{\mathrm{AD}}=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AD}}+\frac{i}{2m}({Z_D}^{\′\′}{|}_{\mathrm{BD}}-\underset{k=0}{\overset{(m+1)/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{BD}})$

以B点为基准，旋转BC线得到BC线的变换坐标公式：

${Z_i}^{\′\′}{|}_{\mathrm{BC}}={z_i}^{\′}{|}_{\mathrm{BC}}+{Z_i}^{\′}{|}_{\mathrm{AB}}+\frac{i}{m}({Z_D}^{\′\′}{|}_{\mathrm{BC}}-\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AC}})$

再将测量线DC上的点的坐标值以D点为基准进行评议和旋转，使首末点的坐标值与AD线的D点与AC线的C点坐标值相等，变换公式如下：

${Z_i}^{\′\′}{|}_{\mathrm{DC}}=\underset{k=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{DC}}+{Z_m}^{\′\′}{|}_{\mathrm{AD}}+\frac{i}{n}(\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AC}}-\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{DC}}-{Z_m}^{\′\′}{|}_{\mathrm{AD}})$

这样各测量线的坐标值变换到同一个平面内。

然后再通过平移和旋转使得P_iP_i′测量线上的首末点与转换后的AB，DC测量线上相应点等值，同时算出测量线P_iP_i′上其余各点的坐标值Z_ij。设P_iP_i′上测量点数为n，则变换公式为：

${Z_{\mathrm{ij}}}^{\′\′}=\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{P_i{P_i}^{\′}}+\underset{k=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AB}}+\frac{i}{n}({Z_i}^{\′\′}{|}_{\mathrm{DC}}-\underset{k=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{\mathrm{AB}}-\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{|}_{{P_i}^{\′}})$

这样所有测量线的坐标值都被变换到同一个平面内，这些值乘以水平仪的格值系数，就可以得到个单测量点的测量值z_ij。

取z_ij得最大值和最小值可以得到测量点的高度差：

h＝z_max-z_min

接下来用最小二乘法来评定平面度误差，并根据最小二乘平面的空间姿态来调整工作台面。

设最小二乘平面的方程为：

z＝Ax+By+C

欲求系数ABC，联立方程：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{nC}+\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)A+\left(\mathrm{\Σ}{y}_i\right)B=\mathrm{\Σ}{z}_i\\ \left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)C+\left(\mathrm{\Σ}{x}_i^2\right)A+\left(\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i\right)B=\mathrm{\Σ}{x}_i{z}_i\\ \left(\mathrm{\Σ}{y}_i\right)C+\left(\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i\right)A+\left(\mathrm{\Σ}{y}_i^2\right)B=\mathrm{\Σ}{y}_i{z}_i\end{array}\right.$

解方程可以得到ABC，测量得到各点至最小二乘平面的坐标距离为：

Δ_i＝z_i-(Ax_i+By_i+C)

取Δ_i中的最大值和最小值，则平面度误差为

f＝Δ_max-Δ_min

接下来根据机床加工精度的要求，来比较工作台面的高度差h与平面度f是否符合几何精度F的要求。

若f＞F，则说明工作台工作台面平面度不满足要求，说明工作台面发生形变或在制造过程中精度不够。因此应针对直线电机的大磁力载荷改善设计或改善制造精度。

若h＞F而f＜F，说明虽然平面度满足几何精度要求，但工作台的姿态不符合几何精度的要求，因此要通过调整装配来使得工作台保持水平。

由于调整方法只能通过垫高或收紧四个支撑点来改变台面的平面度情况。调整的幅度由上面所求的最小二乘平面确定，将ABCD四点的位置坐标值代入上面得出的最小二乘平面，得到z_A′，z_B′，z_C′，z_D′，四个支撑点的调整幅度则为-z_A′，-z_B′，-z_C′，-z_D′。

调整后应重新对个测量点进行测量的出新的f与h，观察是否符合规定的几何精度要求，若不符合要求则重复上述调整过程。

综上所述，本发明总体思想是：针对直线电机驱动的机床工作台，使用精密水平仪在机床的滑台工作台面上布点测量。

机床滑台的几何精度主要通过测量两方面的内容来判断，一是在各个指定位置处滑台工作台面的平面度，二是工作台面观测点在滑台处于不同位置测量值的变化，通过这两项数值的计算可以观察不同位置工作台的平面度误差浮动，检测工作平面是否在加工要求的平面度变动范围之内。

由于水平仪的测量结果并不是绝对的高度值，而是测量线首末点的相对旋转角度，因此这里提出了一种按照测量线将水平仪读数转化为相同基准下高度差的坐标转换方式。

得到单个测量点的高度值之后，通过最小二乘法确定最小二乘中心平面，并计算出平面度误差。通过高度差与平面度误差同几何精度要求的比较，可以找到影响工作台面是否水平的主要因素，并进向相应的调整。根据所求的最小二乘平面，计算出四个支撑点的高度差值，通过调整装配使高度差值归零。由于直线电机初级与次级之间有较大的电磁力工作台及导轨受力情况复杂，只调整一次不一定能够满足平面度的要求，因此需要反复进行测量调整，直到符合机床加工精度的要求，可以认为工作台平面最终收敛于规定基准所在的水平面。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，包括下列步骤：

布点步骤：在机床的滑台工作台面上布点，确定测量范围及主观测点，并确定测量路线及每条测量线；

读数变换步骤：使用水平仪获得各段测量值，进行坐标变换获得同基准下各观测点高度差；

确定步骤：通过最小二乘法确定中心平面，并计算出平面度误差；

平面度误差比较步骤：将平面度误差与几何精度要求值进行比较，对于平面度误差不符合几何精度要求值的情况，则改善设计加工，提高工作台面的加工精度；

高度差比较步骤：对于平面度误差符合几何精度要求值，则将高度差与几何精度要求值进行比较：

若高度差不符合几何精度要求值，则确定支撑点高度偏差，并调整支撑点高度，返回至所述读数变换步骤，重复上述测量调整过程；

若符合几何精度要求值，则结束整个过程。

2.根据权利要求1所述的直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，其特征在于：所述布点步骤中的布点方式采用对角线布点，所述的主观测点为滑台工作台各个支撑脚的中心点。

3.根据权利要求1所述的直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，其特征在于：所述读数变换步骤中的坐标变换即将各项读数值转换到同一个平面之内，按线性进行变换。

4.根据权利要求1所述的直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，其特征在于：所述高度差比较步骤中的调整方法为通过垫高或收紧四个支撑点来改变台面的平面度情况。

5.根据权利要求1所述的直线电机驱动的机床滑台的几何精度检测及调整方法，其特征在于：所述高度差比较步骤中的重复上述测量调整过程的次数为直至符合所述几何精度要求值所需要的次数，即工作台平面最终收敛于规定基准所在的水平面。

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