CN102809356B - 一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，将激光位移传感器测头固定在机床的主轴上随主轴旋转，所述激光位移传感器测头沿圆周扫描并沿竖直方向或水平方向运动，获取孔心坐标，所述孔心坐标即为主轴轴线上的一点；当第一连接部件和主轴夹头固定时，确定出射光与主轴轴线交点M的坐标；所述激光位移传感器测头翻转，当第二连接部件和主轴夹头固定时，确定Z轴导轨上点N’的坐标，以及出射光与主轴轴线交点N的坐标；通过主轴轴线上的M点和N’点获取与Z轴导轨平行的向量通过主轴轴线上的M点和N点获取与主轴轴线平行的向量通过两个向量之间的位置关系获取主轴轴线和Z轴导轨之间的平行度。提高了测量精度，实现了非接触式测量。

Description

一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法

技术领域

本发明涉及机床检测领域，尤其涉及一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法。

背景技术

机床上的运动部件，是通过导轨进行导向的，机床导轨是机床上用来确定各主要部件相对位置的基准。当加工圆柱类工件时，如果本应该和机床导轨平行的主轴回转轴线发生了倾斜，也就破坏了这一基准，会严重影响工件的加工精度。因此，在精密加工中，机床导轨与主轴回转轴线的平行度是机床的一项重要指标。目前，主要有以下三种测量方法：

测量方法1：对试切工件进行检测，间接测量主轴回转轴线同Z轴导轨的平行度；测量方法2：GB/T 6477-2008规定的方法采用芯轴和千分表测量检测平行度；千分表相对芯轴轴向移动，利用表针变化量求得平行度；测量方法3：国内外学者研究测量主轴回转轴线同Z轴导轨间平行度的方法，主要集中在误差分离技术：即在标准检测方法的基础上分离出平行度误差值。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

测量方法1：对操作者的经验要求较高，测量精度有限，且会造成一定的资源浪费；测量方法2：此方法选用实物芯轴代替回转轴线，将受到芯轴的安装误差和形状误差的影响，测量精度难以提升；又由于接触式的方式要求测量须在主轴静止或低转速的状态下进行，而实际的加工往往转速较高，这种测量方法难以满足实际要求；测量方法3：这种方法不需要很高精度的芯轴，具有较高的测量精度，但操作复杂，依然具有接触式测量的诸多缺陷。

发明内容

本发明提供了一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，本发明提高了测量精度，降低了对操作者的要求，操作简单，实现了非接触式测量，详见下文描述：

一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将激光位移传感器测头固定在机床的主轴上随主轴旋转，所述激光位移传感器测头沿圆周扫描并沿竖直方向或水平方向运动，获取孔心坐标，所述孔心坐标即为主轴轴线上的一点；

(2)当第一连接部件和主轴夹头固定时，确定出射光与主轴轴线交点M的坐标；所述激光位移传感器测头翻转，当第二连接部件和主轴夹头固定时，确定Z轴导轨上点N’的坐标，以及出射光与主轴轴线交点N的坐标；

(3)通过主轴轴线上的M点和N’点获取与Z轴导轨平行的向量通过主轴轴线上的M点和N点获取与主轴轴线平行的向量 $\stackrel{\→}{b}=(X_2-X_1,Y_2-Y_1,Z_2-Z_1);$

(4)通过两个向量之间的位置关系获取主轴轴线和Z轴导轨之间的平行度。

所述激光位移传感器测头包括：中空的测头本体，在所述测头本体的顶部设置有第一圆盘，底部设置有第二圆盘，所述第一圆盘的中心设置有所述第一连接部件，所述第二圆盘的中心设置有所述第二连接部件；在所述测头本体上设置有激光位移传感器。

所述方法还包括：将所述激光位移传感器测头固定到主轴的夹头上，然后将标准环规放置到机床工作台上，调整所述标准环规，使得所述标准环规轴线和机床主轴回转轴线平行。

所述当第一连接部件和主轴夹头固定时，确定出射光与主轴轴线交点M的坐标；所述激光位移传感器测头翻转，当第二连接部件和主轴夹头固定时，确定Z轴导轨上点N’的坐标，以及出射光与主轴轴线交点N的坐标具体为：

以所述机床工作台坐标系为参考坐标系，当只在X方向移动所述机床工作台时，所述机床工作台只有X坐标变换；当只在Y方向移动所述机床工作台时，所述机床工作台只有Y坐标变换；当只在Z方向移动所述机床工作台时，所述机床工作台只有Z坐标变换；将所述标准环规放置在所述机床工作台上，所述标准环规随所述机床工作台沿X、Y和Z三个导轨方向移动；首先，所述第一连接部件和主轴夹头固定，所述激光位移传感器的出射光在靠近所述第二连接部件的一端，通过步骤(1)得到当前主轴轴线上点M的坐标值(X1,Y1,Z1)；然后，将所述激光位移传感器测头翻转180度，所述第二连接部件和主轴夹头固定，此时所述激光位移传感器的出射光在Z轴方向上移动了一段距离，移动所述机床工作台使所述标准环规沿Z轴导轨移动相同距离，获得Z轴导轨上N’的坐标(X1,Y1,Z2)，通过步骤(1)获取当前主轴轴线上点N的坐标值(X2,Y2,Z2)。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法通过采用激光位移传感器测头获取到孔心，通过翻转激光位移传感器测头获取到主轴上M点和N点的坐标，并计算出平行度，本方法无需使用验棒，避免了验棒的安装误差和形状误差带来的影响，减少了误差源；采用了非接触测量的方式，不受主轴转速的影响，可实现高速转动主轴与同向导轨平行度的测量；通过采用激光位移传感器具有数字化测量的特点，辅之以无线通讯技术，还可使自动测量变得简单，便于实施。

附图说明

图1为本发明提供的激光位移传感器测头的结构示意图；

图2为本发明提供的标准环规的示意图；

图3为本发明提供的标准环规调整的示意图；

图4a为本发明提供的激光位移传感器测头沿圆周扫描并沿水平方向移动环规的示意图；

图4b为本发明提供的激光位移传感器测头沿圆周扫描并沿垂直方向移动环规的示意图；

图5a为本发明提供的第一连接部件A和主轴夹头固定时的示意图；

图5b为本发明提供的第二连接部件B和主轴夹头固定时的示意图；

图6a为本发明提供的获取主轴上M点的示意图；

图6b为本发明提供的机床工作台沿Z向移动的示意图；

图6c为本发明提供的获取主轴上N点的示意图；

图7a为本发明提供的标准环规双位置的示意图；

图7b为本发明提供的激光位移传感器测头顶面与夹头连接的示意图；

图7c为本发明提供的激光位移传感器测头底面与夹头连接的示意图；

图8为本发明提供的主轴轴线和Z向导轨之间关系的示意图；

图9为本发明提供的一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法的流程图。

附图中所列部件列表如下所示：

1：测头本体；    2：第一圆盘；

3：第二圆盘；    A：第一连接部件；

B：第二连接部件；    C：激光位移传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高测量精度，降低对操作者的要求，操作简单，实现非接触式测量，本发明实施例提供了一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，参见图1和图2，详见下文描述：

101：将激光位移传感器测头固定在数控机床的主轴上随主轴旋转，激光位移传感器测头沿圆周扫描并沿竖直方向或水平方向运动，获取孔心坐标，孔心坐标即为主轴轴线上的一点；

其中，激光位移传感器测头包括：中空的测头本体1，在测头本体1的顶部设置有第一圆盘2，底部设置有第二圆盘3，第一圆盘2的中心设置有第一连接部件A，第二圆盘3的中心设置有第二连接部件B；在测头本体1上设置有激光位移传感器C。

将激光位移传感器测头固定到主轴的夹头上，然后将标准环规放置到机床工作台上，调整标准环规，使得标准环规轴线和机床测头回转轴线平行。

其中，对标准环规进行调整可以为：如图3所示，当标准环规内孔轴线与主轴回转轴线存在夹角时，实际的待测截面将和GK面相同（实际上是个椭圆）。FG为标准环规直径，实验中长度为150mm，当GK≤150.0002mm时，在精度范围内可忽略不计，认为所测截面为标准圆。在三角形FGK中，

$h=\frac{\mathrm{FG}\×\sqrt{{\mathrm{GK}}^2-{\mathrm{FG}}^2}}{\mathrm{GK}}$

由上述公式可得，h的允许值为0.24mm，在主轴端面上安放百分表对标准环规的端面进行检定，可得h值。由以上可知，h较大时对GK产生的影响也还是比较小的。检定后，使用螺纹调节机构对标准环规位置进行调节。为减少标准环规轴线与主轴回转轴线不平行对测量结果产生影响，并且不增加操作复杂度的情况下，宜使h的值尽可能小。

其中，具体实现时，还可以采用其他的方法对标准环规进行调整，该技术为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

参见图4a和图4b，外面大圆代表标准环规内壁，里面小圆代表激光位移传感器测头，其中，步骤具体为：

参见图4a，激光位移传感器C沿圆周扫描并沿水平方向运动，通过激光位移传感器C获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的水平方向幅值，获取e在水平方向最小幅值，水平方向最小幅值对应的点为转折点，在转折点回转轴线同孔心距离a最小；激光位移传感器C从转折点开始沿圆周扫描并沿竖直移动，每一周内纪录一次e竖直方向的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，竖直方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标，孔心坐标即为主轴轴线上的一点；

参见图4b，激光位移传感器C沿圆周扫描并沿竖直方向运动，通过激光位移传感器C获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，竖直方向最小幅值对应的点为转折点，在转折点回转轴线同孔心距离a最小；激光位移传感器C从转折点开始沿圆周扫描并沿水平移动，每一周内纪录一次e水平方向的幅值，获取e在水平方向最小幅值，水平方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标，孔心坐标即为主轴轴线上的一点。

102：当第一连接部件A和主轴夹头固定时，确定出射光与主轴轴线交点M的坐标；激光位移传感器测头翻转，当第二连接部件B和主轴夹头固定时，确定Z轴导轨上点N’的坐标，以及出射光与主轴轴线交点N的坐标；

参见图5a、图5b、图6a、图6b和图6c，该步骤具体为：

以机床工作台坐标系为参考坐标系，当只在X方向移动机床工作台时，机床只有X坐标变换；当只在Y方向移动机床工作台时，机床只有Y坐标变换；当只在Z方向移动机床工作台时，机床只有Z坐标变换。将标准环规放置在机床工作台上，标准环规随机床工作台沿X、Y和Z三个导轨方向移动。首先，第一连接部件A和主轴夹头固定，激光位移传感器C的出射光在靠近第二连接部件B的一端，如图6a所示，通过步骤101得到当前主轴轴线上点M的坐标值(X1,Y1,Z1)；然后，将激光位移传感器测头翻转180度，第二连接部件B和主轴夹头固定，此时激光位移传感器C的出射光在Z轴方向上移动了一段距离，移动机床工作台使标准环规沿Z轴导轨移动相同距离，获得Z轴导轨上N’的坐标(X1,Y1,Z2)，如图6b所示，通过步骤101获取当前主轴轴线上点N的坐标值(X2,Y2,Z2)，如图6c所示。

具体实现时如图6a所示，可让标准环规和激光位移传感器C处在D-D’、E-E’两处。标准环规跟随机床工作台上下移动，可方便安置在D、E处；主轴轴线作为被测对象之一，位置不可改变，故主轴不可伸缩，进而激光位移传感器C不可随主轴上下移动。采用交换激光位移传感器测头的顶面和底面，同主轴夹头进行连接，使其在D′、E′处轮换，使激光位移传感器C的出射光到测头顶面和底面的距离OD′、OE′分别为35mm和155mm，可知D′E′为120mm，即相当于激光位移传感器C的出射光沿主轴方向移动了120mm。

103：通过主轴轴线上的M点和N’点获取与Z轴导轨平行的向量通过主轴轴线上的M点和N点获取与主轴轴线平行的向量 $\stackrel{\→}{b}=(X_2-X_1,Y_2-Y_1,Z_2-Z_1);$

104：通过两个向量之间的位置关系获取主轴轴线和Z轴导轨之间的平行度。

其中，参见图8，可以知道与Z轴导轨平行的一个向量是与主轴轴线平行的一个向量是然后通过计算这两个向量之间的位置关系就可以确定主轴轴线和Z轴导轨之间的平行度。

下面以一个具体的试验来验证本发明实施例提供的一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法的可行性，详见下文描述：

为保证本方法的顺利实施，必须有一个激光位移传感器测头如图1所示。首先，将激光位移传感器测头夹持到机床主轴上，然后将标准环规固定到机床工作台上，并调整标准环规使其孔心轴线尽量与主轴回转轴线平行。接着移动机床工作台使得激光位移传感器C的出射光打到标准环规内壁上，再利用步骤101中描述的方法移动机床工作台找到孔心轴线和主轴轴线重合的位置，达到的效果如图6a所示，这时候记下机床工作台的坐标。接下来把激光位移传感器测头上下翻转，此时激光位移传感器C的出射光会在Z轴方向上有一个位移，然后在Z轴方向移动机床工作台，使得激光位移传感器C的出射光再次打到标准环规内壁上，如图6b所示，同理采用步骤101中描述的方法找到孔心轴线和主轴轴线重合的位置，如图6c所示，再次记下机床工作台的坐标。通过两次记录的坐标值便可以得出机床主轴回转轴线和同向导轨的平行度。

综上所述，本发明实施例提供了一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，本方法通过采用激光位移传感器测头获取到孔心，通过翻转激光位移传感器测头获取到主轴上M点和N点的坐标，并计算出平行度，本方法无需使用验棒，避免了验棒的安装误差和形状误差带来的影响，减少了误差源；采用了非接触测量的方式，不受主轴转速的影响，可实现高速转动主轴与同向导轨平行度的测量；通过采用激光位移传感器具有数字化测量的特点，辅之以无线通讯技术，还可使自动测量变得简单，便于实施。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将激光位移传感器测头固定在机床的主轴上随主轴旋转，所述激光位移传感器测头沿圆周扫描并沿竖直方向或水平方向运动，获取孔心坐标，所述孔心坐标即为主轴轴线上的一点；

(2)当第一连接部件和主轴夹头固定时，确定出射光与主轴轴线交点M的坐标；所述激光位移传感器测头翻转，当第二连接部件和主轴夹头固定时，确定Z轴导轨上点N’的坐标，以及出射光与主轴轴线交点N的坐标；

(3)通过主轴轴线上的M点和N’点获取与Z轴导轨平行的向量通过主轴轴线上的M点和N点获取与主轴轴线平行的向量 $\stackrel{\→}{b}=(X_2-X_1,Y_2-Y_1,Z_2-Z_1);$

(4)通过两个向量之间的位置关系获取主轴轴线和Z轴导轨之间的平行度；

所述激光位移传感器测头包括：中空的测头本体，在所述测头本体的顶部设置有第一圆盘，底部设置有第二圆盘，所述第一圆盘的中心设置有所述第一连接部件，所述第二圆盘的中心设置有所述第二连接部件；在所述测头本体上设置有激光位移传感器。

2.根据权利要求1所述的一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述激光位移传感器测头固定到主轴的夹头上，然后将标准环规放置到机床工作台上，调整所述标准环规，使得所述标准环规轴线和机床主轴回转轴线平行。

3.根据权利要求1所述的一种机床主轴与同向导轨平行度检测方法，其特征在于，所述当第一连接部件和主轴夹头固定时，确定出射光与主轴轴线交点M的坐标；所述激光位移传感器测头翻转，当第二连接部件和主轴夹头固定时，确定Z轴导轨上点N’的坐标，以及出射光与主轴轴线交点N的坐标具体为：

以所述机床工作台坐标系为参考坐标系，当只在X方向移动所述机床工作台时，所述机床工作台只有X坐标变换；当只在Y方向移动所述机床工作台时，所述机床工作台只有Y坐标变换；当只在Z方向移动所述机床工作台时，所述机床工作台只有Z坐标变换；将所述标准环规放置在所述机床工作台上，所述标准环规随所述机床工作台沿X、Y和Z三个导轨方向移动；首先，所述第一连接部件和主轴夹头固定，所述激光位移传感器的出射光在靠近所述第二连接部件的一端，通过步骤(1)得到当前主轴轴线上点M的坐标值(X1,Y1,Z1)；然后，将所述激光位移传感器测头翻转180度，所述第二连接部件和主轴夹头固定，此时所述激光位移传感器的出射光在Z轴方向上移动了一段距离，移动所述机床工作台使所述标准环规沿Z轴导轨移动相同距离，获得Z轴导轨上N’的坐标(X1,Y1,Z2)，通过步骤(1)获取当前主轴轴线上点N的坐标值(X2,Y2,Z2)。