CN102322824A - 蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，包括头架、测量台、待测蜗杆、床身、尾架、干涉镜、补偿仪、激光器支架、计算机、激光头、“平-V”导轨、移动角锥反射镜、一个测量头、圆光栅系统和轴向进给传动组件等。头架里的圆光栅系统与待测蜗杆由轴向进给传动组件驱动实现同步转动，待测蜗杆转动时通过测量头拖动测量台在导轨上移动。激光器支架支撑着激光头、干涉镜和补偿仪。移动角锥反射镜被固定在测量台上，随着测量台相对于激光器支架移动。整个仪器具有温度和环境等补偿单元，进一步提高了测量精度。使用该检测装置，可实现三级和三级以上精度蜗杆的螺旋线误差、齿距偏差、齿距累积误差的自动动态高精度检测。

Description

蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的装置，具体是一种以圆光栅作为角度测量元件，以激光干涉仪作为长度测量元件，由计算机控制动态测量蜗杆齿距误差与螺旋线误差的测量装置。

背景技术

蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、承载能力强、传动平稳噪声低、在一定条件下具有良好的自锁性等优点，因而广泛应用于机床制造业、汽车工业、起重运输业、冶金工业及精密仪器设备等领域中，特别在机床制造业中，成为一般低速转动工作台和连续分度机构的主要传动形式。蜗杆的精度参数主要包括螺旋线误差，轴向齿距偏差和轴向齿距累积误差等，它们直接影响着蜗杆的传动精度和传动效率。尤其蜗杆的螺旋线误差综合地反映了蜗杆的齿形误差、轴向齿距误差及齿槽径向跳动量，成为评定高精度蜗杆传动精度的主要指标。为了保证精密蜗杆的加工品质，必须对其螺旋线误差和齿距误差进行高精度检测。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利公布号CN 10651397A，名称为：精密蜗杆精度参数测量方法及装置。该装置的特点是：使用两个电感测头和长光栅串联测量长度参数，并且，被测蜗杆和圆光栅由一个步进电机驱动，而电感测头和长光栅支承在气体静压导轨上，由另一个步进电机驱动，两个电机由计算机操纵协调转动。该仪器不足之处为：1、步进电机在低速时易出现低频振动现象，且由于该检测方法和装置同时使用两个步进电机分别驱动蜗杆转动和电感测头做轴向移动，将引入步进电机的同步误差；2、由于同时使用两个电感测头进行参数测量，结构复杂，安装困难，易引起机械传动误差；3、气体静压导轨必须保证足够的排气通道，否则会产生位置扰动，扰动量有时达数微米，而传统机械加工手段很难加工出小于φ0.15mm的小孔，对防止小孔堵塞亦提出了很高的要求；4、未考虑温度等环境因素对测量精度的影响，未采取误差分析与补偿技术措施，例如温度的变化将引起光栅尺的轴向膨胀，造成光栅栅距的变化，而长光栅本身又存在原始刻线误差、细分误差等。所有上述缺点都将影响精密蜗杆的检测精度，难以实现尤其三级以上精密蜗杆的高精度测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可自动测量三级和三级以上精度蜗杆的螺旋线误差、齿距偏差、齿距累积误差的动态测量装置。

一种蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，包括支撑组件、进给导向模块、测量组件，以及进行数据处理和控制的计算机处理系统；支撑组件主要包括床身、头架、尾架、激光器支架；进给导向模块主要包括轴向进给传动组件和导轨；测量组件主要包括测量台、测量头、激光测长系统和圆光栅系统；导轨和头架固定在床身上；测量台、尾架被放置在导轨上；头架里的圆光栅系统与待测蜗杆由轴向进给传动组件驱动实现同步转动；待测蜗杆转动时通过测量头拖动测量台在导轨上移动；激光器支架位于尾架的外侧。

本发明与现有装置相比，其以下显著优点：1、本发明使用激光测长系统，配合圆光栅测角度系统，测量精度高，测量范围大，能测量三级及三级精度以上的蜗杆；2、由于导轨精度高低对蜗杆齿距误差测量准确性影响显著，本发明的导轨采用“平-V”直线导轨，平导轨用来防止扭转，V导轨起导向作用，这种导轨自复位能力强，导轨刚度好，有利于实现高精度测量；3、仅使用1个测量头，结构简单，测量台材料为铝，重量轻，由蜗杆旋转时的螺纹槽直接带动，不需要额外的电机驱动，保证了两者的同步性，减少了传动环节中的误差，也简化了装置的结构；4、整个仪器具有温度和环境等补偿单元，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为蜗杆螺旋线与齿距误差动态测量装置的结构简图。

图2为蜗杆螺旋线与齿距误差动态测量装置的测量台的结构组成示意图。

图3为蜗杆螺旋线与齿距误差动态测量装置的激光测长系统的原理图。

具体实施方式

本发明蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，包括支撑组件、进给导向模块、测量组件，以及进行数据处理和控制的计算机处理系统9；支撑组件主要包括床身4、头架1、尾架5、激光器支架8；进给导向模块主要包括轴向进给传动组件15和导轨11；测量组件主要包括测量台2、测量头13、圆光栅系统14和激光测长系统；导轨11和头架1固定在床身4上；测量台2、尾架5被放置在导轨11上；头架1里的圆光栅系统14与待测蜗杆3由轴向进给传动组件15驱动实现同步转动；待测蜗杆3转动时通过测量头13拖动测量台2在导轨11上移动；激光器支架8位于尾架5的外侧。

所述的测量头13数目为1个，无需额外的电机同步驱动，而由蜗杆3旋转时的螺纹槽直接带动其和测量台2实现轴向移动；并且测量头13可沿待测蜗杆3的水平径向方向移动，以调整与待测蜗杆3螺纹槽的相对位置。

所述的导轨11为“平-V”直线导轨，分布于待测蜗杆3的两侧，其中一侧是V型导向导轨，另一侧为防止扭转的平导轨，如图1（c）所示。

所述的测量台2包括台面主体16、V导轨滚动块17和平导轨滚动块18。

所述的测量台2材料为铝，V导轨滚动块17和平导轨滚动块18采用滚柱作为滚动体。

所述的激光测长系统采用激光干涉仪，主要包括干涉镜6、补偿仪7、激光头10、移动角锥反射镜12、空气温度传感器25、材料温度传感器24和气压/相对湿度传感器20；干涉镜6为分光镜23和固定角锥反射镜19的组合；激光头10为激光源21与探测器22的组合。

所述的激光测长系统的空气温度传感器25、材料温度传感器24和气压/相对湿度传感器20的安装位置如下：空气温度传感器25安装在一个带强磁力的圆柱底座上，并定位于激光光束的测量路径的延长线上；材料温度传感器24安装在床身上，在离光路100mm~150mm处，并保证安装后不影响测量台的移动；气压/相对湿度传感器20固定在补偿仪7内。

所述的激光器支架8位于尾架5的外侧，支撑着干涉镜6、补偿仪7和激光头10；移动角锥反射镜12被固定在测量台2上，随着测量台2相对于激光器支架8移动；移动角锥反射镜12、干涉镜6与激光头10沿着待测蜗杆3的轴线方向依次排列。

下面结合附图对本发明作详细说明。

待测蜗杆的头数取3，蜗杆的装夹方式既可以为卡盘-顶尖式也可以为双顶尖式，本实施例中为双顶尖式。

如图1所示，本发明所述的蜗杆螺旋线与齿距误差动态测量装置，包括头架1、测量台2、待测蜗杆3、床身4、尾架5、干涉镜6、补偿仪7、激光器支架8、计算机9、激光头10、“平-V”导轨11、移动角锥反射镜12、测量头13、圆光栅系统14、轴向进给传动组件15。

床身4为整体铸铁件；“平-V”导轨11和头架1固定在床身4上；尾架5和测量台2被放在“平-V”导轨11上，相对于床身4可沿“平-V”导轨11滑动，待测蜗杆3被安装在头架1和尾架5的两顶尖之间，头架1内的圆光栅系统14与待测蜗杆3由轴向进给传动组件15驱动实现同步转动；激光器支架8位于尾架5的外侧，支撑着干涉镜6、补偿仪7和激光头10，移动角锥反射镜12被固定在测量台2上，随着测量台2相对于激光器支架8移动。

如图2所示，所述的测量台2主要包括台面主体16、V导轨滚动块17和平导轨滚动块18；测量台2通过V导轨滚动块17与平导轨滚动块18沿着“平-V”导轨11来回做轴向移动；测量头13可沿待测蜗杆3的水平径向方向移动，以调整与待测蜗杆3螺纹槽的相对位置；待测蜗杆3转动时，待测蜗杆3的螺纹槽直接带动测量台2上的测量头13做轴向移动，以避免同步误差和传动链误差。

如图3所示，激光测长系统采用英国雷尼绍公司的HS10系列产品，包括HS10激光头10、干涉镜6、移动角锥反射镜12和RCU10补偿仪7，其中激光头10包括激光源21和探测器22，干涉镜6为分光镜23和固定角锥反射镜19的组合。

补偿仪7进行温度、湿度、气压等环境参数补偿，用于该补偿仪7的激光测长系统中的空气温度传感器25、材料温度传感器24和气压/相对湿度传感器20分别安装在如图3所示的各位置，为系统提供各种环境参数。具体如下：空气温度传感器25安装在一个带强磁力的圆柱底座上，并定位于激光光束的测量路径的延长线上；材料温度传感器24安装在床身4上，在离光路100mm~150mm处，且确保不影响测量台2的移动；气压/湿度传感器20固定在补偿仪内7。

本实施例涉及的上述蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态检测方法，包括如下步骤：

首先进行采样前的准备工作：将待测蜗杆3置于头架1与尾架5的两顶尖之间，移动测量台2至靠近头架1或尾架5的一端，调整测量头13相对于待测蜗杆3螺纹槽的位置，使得测量头13被置于待测蜗杆3螺纹内，且接触良好，确定待测蜗杆3和测量头13的初始位置，设定此时的转角位置为0°。

然后根据待测蜗杆3的旋向判定电机转向（正转或反转），由电机通过轴向进给组件15带动待测蜗杆3旋转，待测蜗杆3转动的同时通过测量头13带动测量台2沿“平-V”导轨11移动；激光头10中的激光源21发射的激光通过分光镜23分成两束，大约一半激光被反射到固定角锥反射镜19上，形成参考光束，另一半激光透过分光镜23射到移动角锥反射镜12上，形成测量光束，这两束光被反射回分光镜23中，在激光头10中的探测器22中形成干涉光束，两光束的光程差变化被探测器22转变为相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化（条纹数），激光的波长通过补偿仪7进行环境补偿，轴向位移y’就等于条纹数乘以激光波长的一半；此时以一定的采样间隔同步采集待测蜗杆3的旋转角度θ和测量头的轴向位移y’，轴向方向每毫米的采样点的数目大于等于200个。

测量完一条螺旋线上的数据后，将测量头13移出待测蜗杆3的螺纹槽，接着将待测蜗杆3转动(360/3)°即120°后重复上述过程n-1次，即2次。

最后由计算机9对获得的数据进行处理：计算得到待测蜗杆3的各螺旋线误差、齿距偏差和齿距累积误差。

Claims (8)

1.一种蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：包括支撑组件、进给导向模块、测量组件以及进行数据处理和控制的计算机处理系统[9]；支撑组件包括床身[4]、头架[1]、尾架[5]、激光器支架[8]；进给导向模块包括轴向进给传动组件[15]和导轨[11]；测量组件主要包括测量台[2]、测量头[13]、圆光栅系统[14]和激光测长系统；导轨[11]和头架[1]固定在床身[4]上；测量台[2]、尾架[5]放置在导轨[11]上；头架[1]里的圆光栅系统[14]与待测蜗杆[3]由轴向进给传动组件[15]驱动实现同步转动；待测蜗杆[3]转动时通过测量头[13]拖动测量台[2]在导轨[11]上移动；激光器支架[8]位于尾架[5]的外侧。

2.根据权利要求1所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：测量头[13]位于测量台[2]的上方，由蜗杆[3]旋转时的螺纹槽直接带动其和测量台[2]实现轴向移动；并且测量头[13]可沿待测蜗杆[3]的水平径向方向移动，以调整与待测蜗杆[3]螺纹槽的相对位置。

3.根据权利要求1所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：所述的“平-V”直线导轨[11]由两根直线导轨组成，其中一根为V型导向导轨，另一根为防止扭转的平导轨，两根导轨分别位于测量台[2]下方的上下两侧。

4.根据权利要求1或3所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：所述的测量台[2]包括台面主体[16]、V导轨滚动块[17]和平导轨滚动块[18]；其中V导轨滚动块[17]和平导轨滚动块[18]位于台面主体[16]的下方，并分别在“平-V”直线导轨[11]的V型导向导轨和平导轨上滑动。

5.根据权利要求1或3所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：所述的测量台[2]采用铝作为材料，V导轨滚动块[17]和平导轨滚动块[18]采用滚柱作为滚动体。

6.根据权利要求1所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：所述的激光测长系统采用激光干涉仪，包括干涉镜[6]、补偿仪[7]、激光头[10]、移动角锥反射镜[12]、空气温度传感器[25]、材料温度传感器[24]和气压/相对湿度传感器[20]；干涉镜[6]为分光镜[23]和固定角锥反射镜[19]的组合；激光头[10]为激光源[21]与探测器[22]的组合，激光头[10]与干涉镜[6]之间形成的光路与待测蜗杆[3]的轴线平行。

7.根据权利要求1所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：所述的激光测长系统中，空气温度传感器[25]安装在一个带强磁力的圆柱底座上，并定位于激光光束的测量路径的延长线上；材料温度传感器[24]安装在床身[4]上离光路100mm~150mm处；气压/相对湿度传感器[20]固定在补偿仪[7]内。

8.根据权利要求1所述的蜗杆螺旋线误差与齿距误差的动态测量装置，其特征在于：所述激光器支架[8]支撑着干涉镜[6]、补偿仪[7]和激光头[10]；移动角锥反射镜[12]被固定在测量台[2]上，随着测量台[2]相对于激光器支架[8]移动；移动角锥反射镜[12]、干涉镜[6]与激光头[10]沿着待测蜗杆[3]的轴线方向依次排列。

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