CN102322812A - 小阿贝误差三维测量系统 - Google Patents

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苗恩铭
郭裕聪
刘善林
洪占勇
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Abstract

本发明公开了一种小阿贝误差三维测量系统，其特征是：设置机械传动单元中具有X向组件、Y向组件和Z向组件，用于夹持传感器的Z向夹头固定设置在Z向组件中的Z向滑座上；设置由光栅尺和光栅头构成的各光栅组件分别是：X向光栅组件、Y向光栅组件和Z向光栅组件。本发明应用于热变形检测中具有高效、准确和简单的技术效果，能有效减小阿贝误差。

Description

小阿贝误差三维测量系统
技术领域
本发明是涉及一种测量热变形的小阿贝误差三维测量系统。
背景技术
在现代精密机械与仪器工程技术中，温度引起的热误差占仪器精度全误差的40～70％，已成为影响其性能及精度的关键因素。准确测量出实验对象的热变形特性，是机械热误差理论与应用研究的根本保障。
为实现在温度场环境下精确测量机械零件热变形，本申请的发明人此前已提出过两项中国专利一申请，一项是申请号为：99211681.3，名称为：精密零件热变形高精度测量装置的专利申请，但是，该装置一方面只能用于二维测量，另一方面无法实现数控，因而限制了其测量功能；另一项是申请号为：200410014822.1，名称为：三维高精度多功能热变形实验装置的专利申请，该装置可以实现三维测量，恒温箱具有温度数显功能。但是，由于人工操作工作台X向、Y向与Z向运动使操作复杂，人工读数的测量工作量大，实验费时，数据统计缓慢，数学建模效率较低。测量精度具有时效性的特点，即恒温箱内实验装置以铁为主体结构，主体结构具有温度变形特征，实验装置自身热误差难以避免；不仅如此，该装置的主体结构采用了传统叠加式三维工作台的结构方式，阿贝误差影响严重；也由于结构叠加，存在工作台运动到导轨边缘力变形影响严重的现象，导致实验装置本体综合误差较大。为保持高精度，需定期给予整个实验装置进行误差修正，由此带来维护成本的增加。此外，装置对于不同恒温箱提供不同温度场环境时，由于实验装置无法移动，从而不具有通用性，限制了实际使用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种应用于热变形检测中的高效、准确、简单的小阿贝误差三维测量系统，以期能够在机械加工制造企业中得到广泛的实际应用。
本发明小阿贝误差三维测量系统的结构特点是：
设置机械传动单元中具有：
X向组件，是在X向导轨座上固定设置X向导轨，并有X向滑块与所述X向导轨滑动配合，在所述X向滑块上固定设置X向滑座；
Y向组件，在Y向导轨座上固定设置Y向导轨，并有Y向滑座与所述Y向导轨滑动配合；所述Y向导轨座与X向滑座为固联；所述X向导轨的上表面与Y向导轨的上表面处在同一平面上；
Z向组件，是在Z向底座上固定设置安装有Z向导轨的Z向导轨座，Z向滑块与Z向导轨滑动配合，Z向滑座固定设置在Z向滑块上；用于夹持传感器的Z向夹头固定设置在Z向滑座上；
平衡组件，在Z向导轨座的顶部固定设置转向滚轮，支承在所述转向滚轮上的钢丝绳一端连接Z向滑座，另一端设置悬吊平衡锤，以所述平衡锤作为Z向滑座及Z向夹头的配重块；
设置测量单元中由光栅尺和光栅头构成的各光栅组件分别是：
X向光栅组件，在所述X向导轨座的侧部设置X向400光栅尺，对应设置的X向光栅头固定设置在所述X向滑座的侧部；
Y向光栅组件，在所述Y向导轨座的侧部设置Y向250光栅尺，对应设置的Y向光栅头固定设置在Y向滑座的侧部；
Z向光栅组件，在所述Z向导轨座上设置Z向250光栅尺，对应设置的Z向光栅头固定设置在Z向滑座的侧部。
传感器是采用传感器自身具有0～2mm测量行程的微量运动位移测量装置。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明测量装置在测量时，传感器中心线延长线与X、Y轴相互垂直并相交，即三线共点，相对于二维共平面工作台，可有效减小X、Y方向阿贝误差。
2、本发明X向导轨12与Y向导轨5的导轨面在同一个水平面内，不仅可以有效的减小Z向阿贝误差，而且由于Y向组件内嵌于X向组件中，使工作台在Y向导轨上运行时刚度得到增强，减小了力变形误差影响。
3、本发明测量装置使用了平衡锤与Z向导轨组件相连接，使得传感器在做上下运动时更加快捷方便，同时减低了能耗。
4、本发明检测重复性好、精度高、误差小、检测效率高、测量范围广。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明平衡组件结构示意图；
图3为本发明计算机信号处理单元方框图；
图中标号：1为Z向滚珠丝杆、2为Z向滑座、3传感器、4为Z向夹头、5为Y向导轨、6为Y向电机、7为Y向滚珠丝杆、8为X向滑块、9工作台、10为Y向滑座、11为Y向250光栅尺、12为X向导轨、13为Y向光栅头、14为X向滚珠丝杆、15为Z向电机、16为Z向导轨、17为Z向滑块、18为Z向光栅头、19为X向电机、20为Z向250光栅尺、21为Z向导轨座、22为Z向底座、23为X向滑座、24为X向光栅头、25为X向400光栅尺、26为X向导轨座、27转向滚轮、28钢绳、29钢丝绳挂钩、30平衡锤、31为Y向导轨座。
具体实施方式
参见图1、图2，本实施例中设置机械传动单元中具有：
X向组件，是在X向导轨座26上固定设置X向导轨12，并有X向滑块8与X向导轨12滑动配合，在X向滑块8上固定设置X向滑座23；
Y向组件，在Y向导轨座31上固定设置Y向导轨5，并有Y向滑座10与Y向导轨5滑动配合；Y向导轨座31与X向滑座23为固联；X向导轨12的上表面与Y向导轨5的上表面处在同一平面上；
Z向组件，是在Z向底座22上固定设置安装有Z向导轨16的Z向导轨座21，Z向滑块17与Z向导轨16滑动配合，Z向滑座2固定设置在Z向滑块17上；用于夹持传感器3的Z向夹头4固定设置在Z向滑座2上；
平衡组件，在Z向导轨座21的顶部固定设置转向滚轮27，支承在转向滚轮27上的钢丝绳28一端通过钢丝绳挂钩29连接Z向滑座2，另一端悬吊有平衡锤30，以平衡锤30作为Z向滑座2及Z向夹头4的配重块；
设置测量单元中由光栅尺和光栅头构成的各光栅组件分别是：
X向光栅组件，在X向导轨座26的侧部设置X向400光栅尺25，对应设置的X向光栅头24固定设置在X向滑座23的侧部；
Y向光栅组件，在Y向导轨座31的侧部设置Y向250光栅尺11，对应设置的Y向光栅头13固定设置在Y向滑座10的侧部；
Z向光栅组件，在Z向导轨座21上设置Z向250光栅尺20，对应设置的Z向光栅头18固定设置在Z向滑座2的侧部。
各光栅头与光栅尺之间的间隙保持在1～1.5mm
图1所示，由带行星减速器的X向电机19通过X向滚珠丝杠14带动X向滑座23在X向导轨12上滑移；由带行星减速器的Y向电机6通过Y向滚珠丝杠7带动Y向滑座10在Y向导轨5上滑移；由带行星减速器的Z向电机15通过Z向滚珠丝杠1带动Z向滑块17在Z向导轨16上滑移。
传感器3通过Z向夹头4固定在Z向滑座2上，Z向组件的运动带动传感器3上下移动，使得传感器3与测量表面接触并有一定行程的压缩；设置传感器3是量程为0～2mm的微量程传感器，用于测量工件表面热变形变化值；工作台9固定在Y向滑座31上，由X向组件和Y向组件带动工作台9在水平面内运动，工作台9与Y向导轨的导轨面平行，传感器3与工作台9垂直，传感器3是采用传感器自身具有0～2mm测量行程的微量运动位移测量。
具体实施中，设置计算机信号处理单元，由数据采集卡、调理电路、运动控制、开关控制、状态指示以及传感器组成。整个程序采用windows操作界面，由计算机菜单及按钮实现不同的测量控制方式，根据测量控制方式，实时地控制数据采集卡对数据测量单元的测量数据进行采集，并能够根据用户操作进行数据分析处理以及数据打印及存储(图3所示)。
测量时，Z向滑座2带动传感器3实现Z向大尺寸运动，在测量工件Z向热变形表面时，Z向滑座2静止，由传感器3自身的0～2mm测量行程的微量运动实现热变形Z向位移测量，以此减小或消除测量装置由于Z向夹头造成的阿贝误差。
为了减小试验误差，加工制造测量装置的材料以及各光栅尺全部采用铟钢，铟钢是在一定的温度范围内尺寸几乎不随温度变化的合金，因此在使用测量装置做实验时，所测的数据不受仪器设备本身热变形的影响，Z向电机15、X向电机19和Y向电机6采用高温电机，在环境温度-30～120℃的变化范围内具有正常的工作特性，相对于常用电机的0～40℃环境温度要求范围能够很好的满足本实验装置的实验要求，有利于实现对测量对象进行热变形实验研究。
测量时，将测量装置放置于恒温箱中，将被测工件放置于工作台9上，并对被测工件加以固定。工件安装完毕后，将带行星减速器各电机的控制线引出连接至工控机。用工控机调节电机的运转，从而控制工作台在水平面的运动和传感器在竖直方向的运动，实现对被测工件热变形的三坐标测量。测量数据由光栅头引出的数据线传送至工控机，由工控机对测量数据进行分析并保存，最后打印出结果，完成一个被测工件的热变形测量。

Claims (2)

1.小阿贝误差三维测量系统，其特征是：
设置机械传动单元中具有：
X向组件，是在X向导轨座(26)上固定设置X向导轨(12)，并有X向滑块(8)与所述X向导轨(12)滑动配合，在所述X向滑块(8)上固定设置X向滑座(23)；
Y向组件，在Y向导轨座(31)上固定设置Y向导轨(5)，并有Y向滑座(10)与所述Y向导轨(5)滑动配合；所述Y向导轨座(31)与X向滑座(23)为固联；所述X向导轨(12)的上表面与Y向导轨(5)的上表面处在同一平面上；
Z向组件，是在Z向底座(22)上固定设置安装有Z向导轨(16)的Z向导轨座(21)，Z向滑块(17)与Z向导轨(16)滑动配合，Z向滑座(2)固定设置在Z向滑块(17)上；用于夹持传感器(3)的Z向夹头(4)固定设置在Z向滑座(2)上；
平衡组件，在Z向导轨座(21)的顶部固定设置转向滚轮(27)，支承在所述转向滚轮(27)上的钢丝绳一端连接Z向滑座(2)，另一端设置悬吊平衡锤(30)，以所述平衡锤(30)作为Z向滑座(2)及Z向夹头(4)的配重块；
设置测量单元中由光栅尺和光栅头构成的各光栅组件分别是：
X向光栅组件，在所述X向导轨座(26)的侧部设置X向400光栅尺(25)，对应设置的X向光栅头(24)固定设置在所述X向滑座(23)的侧部；
Y向光栅组件，在所述Y向导轨座(31)的侧部设置Y向250光栅尺(11)，对应设置的Y向光栅头(13)固定设置在Y向滑座(10)的侧部；
Z向光栅组件，在所述Z向导轨座(21)上设置Z向250光栅尺(20)，对应设置的Z向光栅头(18)固定设置在Z向滑座(2)的侧部。
2.根据权利要求1所述的小阿贝误差三维测量系统，其特征是所述传感器(3)是采用传感器自身具有0～2mm测量行程的微量运动位移测量装置。
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