CN102162717A - 滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠螺母螺旋内滚道综合误差的动态检测方法。首先进行采样准备工作；然后对待测滚珠螺母某转角位置时内滚道法向截形曲线上各点的位置进行采样；接着转动待测螺母180/n度后重复上述过程2n-1次；最后对采样数据进行处理，得到待测螺母的法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差等。本发明还公开了一种自动检测装置，其中，光谱共焦式位移传感器随二维微调测量架可实现待测滚珠螺母轴向平面内的位置调整，同时二维微调测量架由轴向进给传动机构带动，沿导轨实现待测滚珠螺母轴向方向上的精密移动。使用该检测方法及装置，可实现滚珠螺母内滚道综合误差的自动动态检测，有效提高了滚珠螺母内滚道面测量的效率和精度。

Description

滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的方法及装置，具体是一种滚珠螺母内滚道综合误差的动态检测方法及其装置。

背景技术

滚珠丝杠副主要由滚珠丝杠、滚珠和滚珠螺母组成，用来把电机的回转运动转化为所需的直线运动。它可以实现非常高的传动和定位精度，被广泛应用于各类精密机床的进给传动系统中，是机械工业使用广泛、要求严格的配套件和基础件。滚珠螺母内滚道综合误差是指螺旋内滚道在加工制造过程中产生的形状和位置上的误差，具体包括法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差等。其中，滚道法向截形是指通过钢球中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状；节径也称为节圆直径，是指钢球与滚道在理论接触状态时钢球球心包络的圆柱直径；导程是指在同一条螺旋线上，相邻两牙对应点间的轴向距离。由于滚珠螺母内滚道综合误差对滚珠丝杠副的传动精度和传动效率有着直接影响，因此在生产过程中必须对其进行检测。但由于滚珠螺母内滚道为螺旋式空间三维曲面，滚道内可放置检测传感器的空间非常有限，很难使用常规的检测仪器和工具对其综合误差进行直接检测。

目前，我国滚珠丝杠副相关生产厂家对滚珠螺母的检测几乎都靠人工操作，使用落后的千分表，对滚珠螺母内滚道综合误差进行检测。因而存在着劳动强度大、检测精度不高、检测效率低、检测过程易受主观因素影响而导致检测结果的可靠性和稳定度下降等弊端。以至在最后的选配中需要多次拆装，影响选配质量及速度；而且测量时必须离线，测量时间长，不利于发现误差时的即时修正，对生产效率和质量均有一定的影响。因此，有必要开发对滚珠螺母内滚道综合误差进行自动检测的新方法和新设备，这对促进整个滚珠丝杠副行业的技术进步亦具有重大意义。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利公布号CN101701798A，名称为：滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测方法及其装置，该专利介绍了一种基于光幕式位移传感器的滚珠丝杠螺旋滚道误差动态检测方法和装置。但此检测装置针对的对象是滚珠丝杠，滚珠丝杠的滚道面为外滚道，而滚珠螺母的滚道面为内滚道，结构存在着特殊性：外插管式滚珠螺母上有插管孔；内循环式滚珠螺母上有返向器安装槽；滚珠螺母结构尺寸小，内部空间非常有限等。由于对象的结构特点有着明显的不同，使得针对滚珠螺母安置检测传感器的难度和局限性较滚珠丝杠外滚道检测而言要困难的多，无法直接应用光幕式位移传感器，而不得不考虑应用基于其它测量原理的传感器。同时由于存在插管孔或返向器安装槽等结构特点，在滚道误差动态检测及处理方法上也无法直接应用。因此，在滚珠螺母螺旋内滚道综合误差检测方面，还没有具备高检测精度和高检测效率的自动检测方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚珠螺母内滚道综合误差动态测量方法及其装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚珠螺母内滚道综合误差动态测量装置，包括测量组件、支撑组件、进给模块，以及数据处理模块；测量组件包括光谱共焦式精密位移传感器和光栅尺；支撑组件包括床身、二维微调测量架和待测螺母装夹卡盘；进给模块主要包括精密导轨、轴向进给传动组件和滚珠螺母旋转驱动组件；数据处理模块即为数据处理所需的计算机处理系统；精密导轨固定在床身上，光栅尺固定在精密导轨上，光栅尺测头7和二维微调测量架固定在轴向进给传动组件的运动平台上，光谱共焦式精密位移传感器的测量头固定安装在二维微调测量架上，随该测量架可实现待测滚珠螺母轴向平面内的位置调整；同时二维微调测量架由轴向进给传动组件带动，沿精密导轨可实现待测滚珠螺母轴向方向上的精密移动；滚珠螺母旋转驱动组件安装在床身上，通过待测螺母装夹卡盘带动待测滚珠螺母旋转。

一种滚珠螺母内滚道综合误差动态测量方法，首先进行采样前的准备工作；然后采用光栅尺和光谱共焦式精密位移传感器对待测滚珠螺母螺旋内滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样，同时同步采集轴向进给传动组件的角位移信号，得到滚珠螺母内滚道面该转角位置的点列数据；接着转动待测滚珠螺母180/n度后重复上述过程2n-1次；最后对采样数据进行处理，剔除异常点，实现滚珠螺母内滚道轮廓各转角位置的二维重建，求得待测滚珠螺母各圈内滚道的法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差；取各误差的最大值即得待测滚珠螺母的实际法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、采用本发明提出的方法，可对滚珠螺母螺旋内滚道的综合误差进行自动检测，相比现在采用的人工检测方法而言，具有高效率、高稳定性和高可靠性的优点；2、由于所采用高精度光栅尺的定位精度和光谱共焦式精密位移传感器的检测精度都可达到μm级，该检测方法可实现滚珠螺母螺旋内滚道综合误差的高精度检测；3、本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置结构简单，检测的数据值精确可靠，具有很好的市场前景。

附图说明

图1为本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置的结构组成及连接组装示意图。

图2为本发明装置中使用光谱共焦式精密位移传感器测量滚珠螺母时的测量转角推荐及应避免位置的示意图。

图3为滚珠螺母螺旋内滚道法向截形误差示意图。

图4为滚珠螺母螺旋内滚道节径尺寸和导程误差示意图。

具体实施方式

本发明采用光栅尺和光谱共焦式精密位移传感器分别对待测滚珠螺母内滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样，其中光谱共焦式位移传感器随二维微调测量架可实现待测滚珠螺母轴向平面内的位置调整，同时二维微调测量架由轴向进给传动机构带动，沿导轨实现待测滚珠螺母轴向方向上的精密移动。通过对采用数据进行处理可最终测得滚珠螺母内滚道的法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差，从而实现滚珠螺母内滚道综合误差的动态检测，且测量效率和精度高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置，包括测量组件、支撑组件、进给模块，以及数据处理模块；测量组件包括光谱共焦式精密位移传感器4和光栅尺6；支撑组件包括床身1、二维微调测量架3和待测螺母装夹卡盘9；进给模块主要包括精密导轨2、轴向进给传动组件5和滚珠螺母旋转驱动组件10；数据处理模块即为数据处理所需的计算机处理系统14；精密导轨2和待测螺母装夹卡盘9固定在床身1上，光栅尺6固定在精密导轨2上，光栅尺测头7和二维微调测量架3固定在轴向进给传动组件5的运动平台上，光谱共焦式精密位移传感器4的测量头固定安装在二维微调测量架3上，随该测量架可实现待测滚珠螺母轴向平面内的位置调整；同时二维微调测量架3由轴向进给传动组件5带动，沿精密导轨2可实现待测滚珠螺母轴向方向上的精密移动；滚珠螺母旋转驱动组件10安装在床身1上，通过待测螺母装夹卡盘9带动待测滚珠螺母旋转。

本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，包括如下步骤：首先进行采样前的准备工作；采样前的准备工作是：调节二维移动平台即轴向进给传动组件5的运动平台和二维微调测量架3，使得光谱共焦式精密位移传感器4位于滚珠螺母内，光谱共焦式精密位移传感器4的测头正对待测滚珠螺母的内滚道面，且测头与滚道面之间的距离调整至传感器4可测范围内，并转动待测滚珠螺母至初始待测转角位置。然后采用光栅尺6和光谱共焦式精密位移传感器4对待测滚珠螺母螺旋内滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样，同时同步采集轴向进给传动组件的角位移信号，得到滚珠螺母内滚道面该转角位置的点列数据；接着转动待测滚珠螺母180/n度后重复上述过程2n-1次；最后对采样数据进行处理，剔除异常点，实现滚珠螺母内滚道轮廓各转角位置的二维重建，求得待测滚珠螺母各圈内滚道的法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差；取各误差的最大值即得待测滚珠螺母的实际法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差。

本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，所述转动待测滚珠螺母至初始待测转角位置是：转动待测滚珠螺母，使得光谱共焦式精密位移传感器4的测头在所有2n个转角位置的测量过程中避开有待测滚珠螺母插管孔或返向器安装槽的位置；n的取值范围为3至10；当转角细分过多无法在所有转角位置均完全避开有插管孔或返向器安装槽的位置时，可在后续数据处理时先剔除异常点。

本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，所述异常点的判定如下：根据滚珠螺母内滚道与光谱共焦式精密位移传感器4测头的理论距离范围和公差范围，具体为：设定判定值域，判定值域的最小值应设定小于理论距离的最小值减去三倍公差带的值，判定值域的最大值应设定大于理论距离的最大值加上三倍公差带的值；当采集得到的某点列数据值不在判定值域范围时，判定其为异常点；异常点包括外插管式滚珠螺母的插管孔位置的数据点、内循环式滚珠螺母返向器安装槽位置的数据点以及测量过程导致的异常点。

本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，所述求得节径尺寸误差是：通过曲线拟合得到的2n个不同转角位置的滚道法向截形曲线，结合光谱共焦式精密位移传感器4测头的轴线与待测滚珠螺母的轴线间的偏移距离，转化得到n组不同转角位置的间隔180度的上下两条滚道法向截形曲线，并分别求出标准钢球在同一圈滚道上下两处的法向截形内的球心位置，两个球心在径向方向的位置差即为滚珠螺母螺旋内滚道在该螺旋圆周内实际节径尺寸；此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测滚珠螺母在该组转角位置时该圈滚道上的节径尺寸误差。

本发明滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，所述求得导程及行程误差是：对以一定采样间隔同步采集的轴向进给传动组件5的角位移信号以及光栅尺测头7的轴向位移信号，将角位移信号转化为位移量，与轴向位移信号两者比较求差值，得到滚珠螺母的导程误差及行程误差。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中被测滚珠螺母为外插管式，内滚道中有插管孔。如图1所示，本实施例涉及的滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置，包括床身1，精密导轨2、二维微调测量架3、光谱共焦式精密位移传感器4、轴向进给传动组件5、光栅尺6、计算机处理系统14；待测滚珠螺母8、待测螺母装夹卡盘9，以及滚珠螺母旋转驱动组件10。床身1为整体铸铁件，结构与普通滚珠螺母磨床的床身基本相同。精密导轨2定在床身1上；光栅尺6被固定在精密导轨2上，光栅尺测头7和二维微调测量架3固定安装在轴向进给传动组件5的运动平台上；二维微调测量架3由轴向进给传动组件5驱动，沿精密导轨2实现待测滚珠螺母轴向方向上的精密移动；光谱共焦式精密位移传感器4安装在二维微调测量架3上，随测量架可实现待测滚珠螺母8轴向平面内的位置调整；滚珠螺母旋转驱动组件10安装在床身1上，可对待测螺母装夹卡盘9上装夹的待测滚珠螺母8进行回转驱动。

所述的光谱共焦式精密位移传感器4是德国Micro-Epsilon公司OPTO NCDT IFS2402/90-10系列的产品，传感器探头微型小巧、适用于所有测量面、且直线光路无反射角度要求，主要由一个光学探头11和一个控制器光谱共焦式精密位移测量仪13组成，在测量过程中，由光源发出的一束多色光(白色)，通过一个极高分辨率的探头11中一系列光学镜片后产生光谱色散，由于每一种单色光波长不同，因而在空间形成一组连续的焦点。被聚焦于被测物体表面的单光色，反射后经光纤电缆12回传到控制器13中的单色仪，从而确定此单色光的波长，每一个波长都对应着一个距离值。据此进行分析计算便可获得滚珠螺母边缘的轮廓形状和位置。在检测滚珠螺母螺旋内滚道综合误差的过程中，须首先通过二维微调测量架3调整光源与被测滚道面的距离，使其在光学探头11可测范围之内，从而得到法向截形上各点的径向位置。

本实施例涉及的上述滚珠螺母螺旋内滚道综合误差非接触式动态检测方法，包括如下步骤：

首先进行采样前的准备工作：对电机和运动控制卡进行初始化设置，输入待测滚珠螺母8的型号、长度、螺旋角等参数信息；把待测滚珠螺母8装夹到检测装置上，调节轴向进给传动组件5的运动平台，以及二维微调测量架3，使得光谱共焦式精密位移传感器4的测头11位于滚珠螺母8内，并位于开始采样的右端初始位置，同时使测头11正对待测滚珠螺母8的内滚道面，且测头11与滚道面之间的距离调整至传感器4可测范围内；如图2所示，转动待测滚珠螺母8，使得当以此位置为初始转角位置时，光谱共焦式精密位移传感器4的测头11在所有将来的12个转角位置的测量过程中均避开插管孔的位置，设定此时的转角位置为0度。对于内循环式滚珠螺母的采样前准备过程类似，对于内循环式的滚珠螺母，采样前准备过程类似，需注意：转动待测滚珠螺母8，使得当以此位置为初始转角位置时，光谱共焦式精密位移传感器4的测头11在所有将来的12个转角位置的测量过程中均避开返向器安装槽的位置，并设定此时的转角位置为0度。

然后采用光栅尺6和光谱共焦式精密位移传感器4对待测的滚珠螺母8螺旋内滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样，同时同步采集轴向进给系统的角位移信号：在保持待测滚珠螺母8不动的同时，通过计算机处理系统14来控制轴向进给传动组件5的运动平台，从而带动二维微调测量架3向左平移，轴向方向每毫米采样点数目大于等于200个，其位置精度由光栅尺6保证，得到滚珠螺母内滚道面该转角位置的点列数据并保存。再把待测的滚珠螺母8旋转11次，每次旋转度数为30度，重复上述过程11次，即获得待测滚珠螺母螺旋内滚道在12个不同转角位置法向截形的点列数据值。

接着对采样数据进行处理：通过设定的距离值域对得到的点列数据是否在滚珠螺母8的内滚道面上进行判定，设定判定值域的最小值略小于理论距离的最小值减去三倍公差带的值，设定判定值域的最大值略大于理论距离的最大值加上三倍公差带的值；当采集得到的某点列数据值不在判定值域范围时，判定其为异常点；仅保留位于指定值域范围内的点列位置数据，而剔除异常点；再根据点列位置数据，利用逐点分析连续两点的矢量变化来判断是滚道部分还是内径部分；并利用三次参数样条曲线拟合处理后的点列数据，重建每个转角位置各圈滚道的轮廓形状。

最后通过下述方法求得待测滚珠螺母8的滚道综合误差，主要包括法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差：

1)如图3所示，针对某转角位置某圈滚道的实测曲线，在圆心位置O为标准位置的情况下，求出不包含实测曲线上各点的最大圆半径R₁和包含实测曲线上各点的最小圆半径R₂，两者的差值t_lp就是该处的法向截形误差，取12个不同转角位置时各圈滚道上的法向截形误差的最大值就是待测滚珠螺母8的实际法向截形误差。

2)如图4所示，钢球14位于滚珠螺母8与滚珠丝杠15之间。通过拟合得到的12个不同转角位置的滚道法向截形曲线，结合光谱共焦式精密位移传感器测头11的轴线与待测滚珠螺母8的轴线间的偏移距离，转化得到6组不同转角位置的间隔180度的上下两条滚道法向截形曲线，并分别求出标准钢球14在同一圈滚道上下两处的法向截形内的球心位置，两个球心在径向方向的位置差即为滚珠螺母螺旋内滚道在该螺旋圆周内实际节径尺寸D_pw，如图4所示。此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测滚珠螺母在该组转角位置时该圈滚道上的节径尺寸误差。取此6组不同转角位置时各圈滚道上的节径尺寸误差的最大值就是待测滚珠螺母8的实际节径尺寸误差。

所述的求出标准钢球14在滚道法向截形内的球心位置是：用一个直径与标准钢球直径相等的等效圆来模拟标准钢球在法向截形凹弧上的状态——调整等效圆在法向截形实测曲线凹弧内侧的圆心位置，并求出任一位置处实测曲线上各点到等效圆圆心的距离，当实测曲线上所有点到等效圆圆心的距离都大于或等于其直径、距离等于圆直径的支撑点(即位于圆上的点)的数目大于或等于两个点且等效圆的左半弧和右半弧上分别至少有一个支撑点时，可认为此等效圆获得实测曲线凹弧的支撑，此时的等效圆圆心位置就是标准钢球在法向截形内的球心位置。

3)如图4所示，采用“同步位移比较法”求解导程及行程误差：即对前面以一定采样间隔同步采集的轴向进给传动组件5的角位移信号以及光栅尺测头7的轴向位移信号，将角位移信号转化为位移量，与轴向位移信号两者比较求差值，得到滚珠螺母8的导程误差P_h及行程误差。

在上述过程中，待测滚珠螺母8的螺旋内滚道法向截形曲线的数据点采样过程以及实际法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差的计算过程都由该装置的计算机处理系统14(包括软件)来实现。通过上面的具体实施例子，采用本发明中的方法及其装置实现了对滚珠螺母螺旋内滚道综合误差的非接触式动态自动检测，测量精度、可靠性得到了提高，并且测量范围也得到了扩展。

Claims (7)

1.一种滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测装置，其特征在于：包括测量组件、支撑组件、进给模块，以及数据处理模块；测量组件包括光谱共焦式精密位移传感器[4]和光栅尺[6]；支撑组件包括床身[1]、二维微调测量架[3]和待测螺母装夹卡盘[9]；进给模块主要包括精密导轨[2]、轴向进给传动组件[5]和滚珠螺母旋转驱动组件[10]；数据处理模块即为数据处理所需的计算机处理系统[14]；精密导轨[2]和待测螺母装夹卡盘[9]固定在床身[1]上，光栅尺[6]固定在精密导轨[2]上，光栅尺测头[7]和二维微调测量架[3]固定在轴向进给传动组件[5]的运动平台上，光谱共焦式精密位移传感器[4]的测量头固定安装在二维微调测量架[3]上，随该测量架可实现待测滚珠螺母轴向平面内的位置调整；同时二维微调测量架[3]由轴向进给传动组件[5]带动，沿精密导轨[2]可实现待测滚珠螺母轴向方向上的精密移动；滚珠螺母旋转驱动组件[10]安装在床身[1]上，通过待测螺母装夹卡盘[9]带动待测滚珠螺母旋转。

2.一种滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，其特征在于包括如下步骤：首先进行采样前的准备工作；然后采用光栅尺[6]和光谱共焦式精密位移传感器[4]对待测滚珠螺母螺旋内滚道的法向截形曲线上各点的轴向位置和径向位置进行采样，同时同步采集轴向进给传动组件的角位移信号，得到滚珠螺母内滚道面该转角位置的点列数据；接着转动待测滚珠螺母180/n度后重复上述过程2n-1次；最后对采样数据进行处理，剔除异常点，实现滚珠螺母内滚道轮廓各转角位置的二维重建，求得待测滚珠螺母各圈内滚道的法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差；取各误差的最大值即得待测滚珠螺母的实际法向截形误差、节径尺寸误差、导程及行程误差。

3.根据权利要求2所述的滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：所述采样前的准备工作是：调节二维移动平台即轴向进给传动组件[5]的运动平台和二维微调测量架[3]，使得光谱共焦式精密位移传感器[4]位于滚珠螺母内，光谱共焦式精密位移传感器[4]的测头正对待测滚珠螺母的内滚道面，且测头与滚道面之间的距离调整至传感器[4]可测范围内，并转动待测滚珠螺母至初始待测转角位置。

4.根据权利要求2所述的滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：所述转动待测滚珠螺母至初始待测转角位置是：转动待测滚珠螺母，使得光谱共焦式精密位移传感器[4]的测头在所有2n个转角位置的测量过程中避开有待测滚珠螺母插管孔或返向器安装槽的位置；n的取值范围为3至10；当转角细分过多无法在所有转角位置均完全避开有插管孔或返向器安装槽的位置时，可在后续数据处理时先剔除异常点。

5.根据权利要求2所述的滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：所述异常点的判定如下：根据滚珠螺母内滚道与光谱共焦式精密位移传感器[4]测头的理论距离范围和公差范围，设定判定值域，判定值域的最小值应设定小于理论距离的最小值减去三倍公差带的值，判定值域的最大值应设定大于理论距离的最大值加上三倍公差带的值；当采集得到的某点列数据值不在判定值域范围时，判定其为异常点；异常点包括外插管式滚珠螺母的插管孔位置的数据点、内循环式滚珠螺母返向器安装槽位置的数据点以及测量过程导致的异常点。

6.根据权利要求2所述的滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：所述求得节径尺寸误差是：通过曲线拟合得到的2n个不同转角位置的滚道法向截形曲线，结合光谱共焦式精密位移传感器[4]测头的轴线与待测滚珠螺母的轴线间的偏移距离，转化得到n组不同转角位置的间隔180度的上下两条滚道法向截形曲线，并分别求出标准钢球在同一圈滚道上下两处的法向截形内的球心位置，两个球心在径向方向的位置差即为滚珠螺母螺旋内滚道在该螺旋圆周内实际节径尺寸；此实际节径尺寸与标准节径尺寸的差值就是待测滚珠螺母在该组转角位置时该圈滚道上的节径尺寸误差。

7.根据权利要求2所述的滚珠螺母螺旋内滚道综合误差自动检测方法，其特征在于：所述求得导程及行程误差是：对以一定采样间隔同步采集的轴向进给传动组件[5]的角位移信号以及光栅尺测头[7]的轴向位移信号，将角位移信号转化为位移量，与轴向位移信号两者比较求差值，得到滚珠螺母的导程误差及行程误差。

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