CN102927932A - 基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，实验台床身上面固定连接导轨，导轨上面滑动配合连接滑台，设在导轨一侧的测试台支架上装有四个激光干涉仪，滑台前端面上装有由垂直直线电机和水平直线电机组成的驱动装置，位于垂直直线电机动子上、下，左、右侧分别设有一个反射镜，第一至第四激光干涉仪分别将各自发出的激光束经第一至第四反射镜反射回到自身的激光干涉仪内；数控系统接受两个方向上的激光干涉仪的数据，得到导轨直线度在两个方向上的偏离方向及偏离量，并向驱动单元发出移动信号，驱动单元给垂直直线电机和水平直线电机发出脉冲信号，垂直直线电机和水平直线电机移动对垂直和水平方向两个方向上的直线度误差进行纠正。

Description

基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置

技术领域

本发明涉及一种超长工件直线度检测装置，尤其是一种微进给轴驱动的用于超长工件直线度的检测装置及方法。

背景技术

目前世界上精密加工技术成为近些年发展迅速的主要技术之一。现前对于超长工件的检测越来越受到研究者的重视，尤其是对于铁路航天等工业领域有着重要的意义。目前对长工件直线度的检测方法尚少，对超过百米的超长工件的检测方法更是寥寥无几。对长工件的测量方法，有以下几种典型方法：申请号为200810003182.2专利提出一种用于对长形产品如轨道、梁、棒材等类似物件的直线度的测量方法，其特点在于利用了物体的弹性变形来测量物件的直线度，该方法中对被测物体的材料和形状都有一定要求，适用于弹性变形好的物体和规则物体，难以完成μ级精度的测量；申请号为01134379.6专利提出一种消除热漂移和非线性误差的激光测量直线度的方法，减小了长距离的漂移的偏差，利用该方法测量的极限距离为30m，该方法主要通过减小长距离的热偏差来增大工件的检测长度；除此之外，申请号为200810063590.7专利提出一种用于机床导轨直线度的校正方法，利用单个激光干涉仪检测出直线度偏差，然后设计了一可移动导轨来补偿该偏差，此方法主要针对短行程的导轨的直线度偏差进行补偿，来提高机床的加工精度。综合来看，采用激光干涉仪测量直线度精度很高，但其要求测量信号必须连续，所以若直接使用其测量超长工件的直线度，其局限性很大。

发明内容

本发明是要提供一种基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置及方法，该装置及方法利用复合微进给轴驱动来建立一个直线度测量基准，在此基准下使用传感器来准确测量超长工件的直线度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，包括实验台床身、测试台支架、驱动装置、数控系统，其特点是：实验台床身上面两侧分别通过导轨支架固定连接导轨，导轨上面滑动配合连接滑台，导轨一侧设有测试台支架，测试台支架前端装有第一至第四激光干涉仪，滑台前端面上装有由垂直直线电机和水平直线电机组成的驱动装置，位于水平直线电机动子上、下，左、右侧依次设有第一至第四反射镜，第三反射镜一侧装有激光位移传感器，第一至第四激光干涉仪分别将各自发出的激光束经第一至第四反射镜反射回到自身的激光干涉仪内；数控系统接受水平和垂直两个方向上的激光干涉仪的数据，得到导轨直线度在水平和垂直方向的偏离方向及偏离量，并向驱动单元发出移动信号，驱动单元给垂直直线电机和水平直线电机发出脉冲信号，垂直直线电机和水平直线电机移动对垂直和水平方向两个方向上的直线度误差进行纠正。

驱动装置包括垂直直线电机动子、垂直直线电机导轨、水平直线电机动子、水平直线电机导轨，垂直直线电机导轨固定在水平方向直线电机动子上；垂直直线电机导轨和水平直线电机导轨上均安装有光栅尺。

测试台支架包括工件支架、夹具，若干个夹具中间放置被测工件，且夹具可沿工件支架上下移动，用于与激光位移传感器对光。

激光位移传感器通过传感器夹具连接在垂直直线电机动子左侧的激光干涉仪支架上。

本发明的有益效果是：本发明是将导轨相对直线基准的偏离方向检测出来并使用两套独立的驱动机构来对导轨直线度进行校正，建立一条准直线测量基准，在此基准下可对超过百米的超长工件直线度进行精确检测。本发明简单方便、科学合理的直线度基准的校正方法，可避免由于导轨直线度过大和测量中存在的余弦误差导致的在长距离检测中无法建立测量直线基准及激光干涉仪不能对光的情况，最终使得对百米长的超长工件直线度进行高精度检测成为可能。

本发明直接面向工程应用，可以直接应用到机械测量中，很好的解决了目前直线度测量中对工件长度测量的局限性及测量的准确度的问题。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）它可以很好地解决了目前机械测量中对超长工件无法测量或不能精确测量的问题，使用本发明的测量方法可以精确测量超过百米长度的超长工件的直线度。

（2）本发明采用了直线电机作为误差补偿的驱动装置，直线电机具有启动快，精确度高，无传动误差等特点，将大大提升整个测量结果的准确度。

（3）本发明对测量环境要求低，且本发明对被测零件的材料、形状、结构等无特殊要求，只要激光位移传感器能够照射到，即可实现测量。

（4）整个发明是高精度的激光干涉仪测量系统、高性能的直线电机与高精度的激光位移传感器组成的一种新型测量直线度方法，设备使用简单，方法易懂，易于操作。

附图说明

图1是本发明的结构立体示意图；

图2是本发明的结构侧视图；

图3是本发明的驱动装置及数据接收装置的局部放大立体图；

图4是本发明的原理示意图；

图5是本发明的实施示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，本发明的基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，包括实验台床身、测试台支架4、数据接收装置、驱动装置、数控系统、驱动单元等。

实验台床身包括滑台22、导轨1、导轨支架2和支架螺栓3。实验台床身上面两侧分别通过导轨支架2和支架螺栓3固定连接导轨1。导轨1用来支撑引导滑台22移动，导轨支架2用来支撑两个导轨，支架螺栓3用来固定导轨1与导轨支架2。

导轨1一侧设有测试台支架4，测试台支架4上装有第一至第四激光干涉仪5，6，7，8。测试台支架4包括立架23、工件固定夹24，立架23面板用作固定第一激光干涉仪5、第二激光干涉仪6、第三激光干涉仪7和第四激光干涉仪8。

数据接收装置包括第一激光干涉仪5、第二激光干涉仪6、第三激光干涉仪7、第四激光干涉仪8、第一激光束9、第二激光束10、第三激光束11、第四激光束12、反射镜底座17、第一反射镜18、第二反射镜19、第三反射镜20、第四反射镜21。第一激光干涉仪5、第二激光干涉仪6、第三激光干涉仪7、第四激光干涉仪8固定在测试台支架4上。位于驱动装置上、下，左、右分别设有第一反射镜18、第二反射镜19、第三反射镜20、第四反射镜21，且通过四个反射镜底座17固定。第一激光束9由第一激光干涉仪5发出经第一反射镜18的反射回到第一激光干涉仪5内，同样，第二，三，四激光束10、11、12分别由第二，三，四激光干涉仪6、7、8发出分别经第二，三，四反射镜19、20、21的反射回到各身的激光干涉仪内。被测工件25位于夹具24中间，夹具24可沿工件支架23上下移动，方便与激光位移传感器27对光。传感器夹具26处于垂直直线电机动子13左侧的激光干涉仪支架上，激光位移传感器27位于夹具26中间，即激光位移传感器与直线电机动子13是同步的。

导轨1上面滑动配合连接滑台22。滑台22前端面上装有由垂直直线电机和水平直线电机组成的驱动装置。

驱动装置包括垂直直线电机动子13、垂直直线电机导轨14、水平直线电机动子15、水平直线电机导轨16，垂直直线电机导轨14固定在水平方向直线电机动子15上；垂直直线电机导轨14和水平直线电机导轨16上均安装有光栅尺。

两套驱动装置分别接收数控系统发出的移动指令各自向误差减小的方向移动，同时激光干涉仪又将数据发给数控系统，这样水平垂直两个方向的直线电机均处于动态的工作状态，一直在校正导轨的直线度误差。 

数控系统、驱动单元是本发明的核心内容，数控系统将两个方向上的激光干涉仪采集到的数据分别进行分析，并进行比较，分别得到导轨直线度在水平和垂直方向的偏离方向并计算得到偏离量。然后根据其直线度偏离方向和偏离量向驱动单元发出移动信号，驱动单元将移动信号折算成相应的脉冲信号给直线电机，两个直线电机移动后即对两个方向上的直线度误差进行了纠正，即向直线度误差减小的方向移动，使安装四个反射镜的直线电机动子回到直线基准上来。在测量过程中两个直线电机都处于一种动态纠正误差的状态中。

本发明在纵向移动的实验台上安装水平和垂直方向的两台直线电机来补偿反射镜相对激光束的偏离，建立了超长工件直线度测量基准，在此基准下使用激光位移传感器精确测量出超长工件的直线度。通过两组双频激光干涉仪分别测量出两个反射镜与激光干涉仪的距离，将数据传到数控系统中，比较前后距离的变化得出滑台所在的导轨分别在水平和垂直两方向的偏离方向，根据导轨偏离的方向由数控系统分别向两组直线电机驱动单元发出移动指令。驱动单元接收到指令后驱动直线电机向误差减小的方向移动，整个测量过程中，两个方向的直线电机一直处于动态的微移动中，即只要检测到滑台出现偏离，直线电机滑块即向其偏离的反方向移动。这样使经过两个直线电机校条过的垂直直线电机动子最终建立了超长工件直线度的测量基准，同时也避免了滑台在移动中的偏离而使激光干涉仪接收不到反射光束。最后用位于垂直方向动子上的激光位移传感器来测量超长工件的直线度。

如图1所示，启动机床，滑台22沿导轨1开始运动。这时通过由第一至第四激光干涉仪5、6、7、8，第一至第四反射镜18、19、20、21组成的导轨直线度测量系统根据滑台在移动中导轨直线度的变化而导致第一至第四激光束9、10、11、12的变化进而检测到滑台导轨1实时的偏离。

（1）实验台偏离方向的检测

如图1所示，第一激光束9、第二激光束10、第三激光束11、第四激光束12分别经反射镜反射回到第一至第四激光干涉仪5、6、7、8中后，激光干涉仪将数据送到数控系统中，系统对水平方向和垂直方向的激光干涉仪的数据分别进行比较。如图4所示，数控系统对A、B两数据进行比较并进行差值计算，得出水平方向的偏离方向，并且通过计算得出偏离值同时，数控系统也对C、D两数据进行差值计算，得出垂直方向的导轨直线度偏离方向。其中：A、B两数据分别为第三，四激光干涉仪7，8数据，C、D分别为第一，二激光干涉仪5，6数据.

（2）偏离数值的计算

如图5所示，以单个方向的偏离进行举例分析。实验台从位置E移动到位置F，其与直线基准间出现了角度为α的偏差，数控系统要计算得到x的值，由直线电机将其拉回直线基准上来。两个反射镜间的距离a显然是已知的，对位置E到位置F激光干涉仪检测到的反射镜的位移l、m求平均值易得到b的值。

如图5右侧所示，通过对l、m作求减运算，可得到两个反射镜纵向的偏差值c，在直角三角形中，已知a、c，易求到角度α。将α带到下图中，已知b的值，我们就得到了偏离的数值x。

（3）对直线度误差的补偿

如图4所示，根据工件直线度偏离的方向及数值数控系统向驱动单元分别发出向偏离的反方向移动的信号和脉冲数，再由驱动单元控制直线电机动子沿直线电机导轨移动。

如图3所示，直线电机接受到移动信号后，水平直线电机动子15即沿着水平导轨16向偏离的反方向移动。同样，垂直直线电机动子13也沿着垂直导轨14向偏离的反方向移动。在两个方向的直线电机动态移动中，水平方向直线电机动子15一直在校正导轨直线度水平方向的直线度误差，固定在动子15上的垂直直线电机动子13也一直在校正导轨垂直方向的直线度误差。这样，垂直直线电机动子13就走出了直线度测量基准，即与其同步的激光位移传感器27走出了一条准直线。

（4）最终超长工件直线度的测定

如图2所示，调整工件25的高度与激光位移传感器27处于同一高度，即可开始检测超长工件的直线度。启动开关，使滑台22沿导轨1移动，让激光位移传感器27对着工件所要测的部分走一遍。最终，分析激光位移传感器27的数据即可得到超长工件25的直线度。

Claims (4)

1.一种基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，包括实验台床身、测试台支架、驱动装置、数控系统，其特征在于：所述实验台床身上面两侧分别通过导轨支架（2）固定连接导轨（1），导轨（1）上面通过滑动配合连接滑台（22），导轨（1）一侧设有测试台支架（4），测试台支架（4）上装有第一至第四激光干涉仪（5，6，7，8），滑台（22）前端面上装有由垂直直线电机和水平直线电机组成的驱动装置，位于垂直直线电机动子上、下，左、右侧分别设有第一至第四反射镜（18、19、20、21），第三反射镜（20）一侧装有激光位移传感器（27），第一至第四激光干涉仪（5，6，7，8）分别将各自发出的激光束经第一至第四反射镜（18、19、20、21）反射回到自身的激光干涉仪内；数控系统接受水平和垂直两个方向上的激光干涉仪的数据，得到导轨直线度在水平和垂直方向的偏离方向及偏离量，并向驱动单元发出移动信号，驱动单元给垂直直线电机和水平直线电机发出脉冲信号，垂直直线电机和水平直线电机移动对垂直和水平方向两个方向上的直线度误差进行纠正。

2.根据权利要求1所述的基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，其特征在于：所述驱动装置包括垂直直线电机动子（13）、垂直直线电机导轨（14）、水平直线电机动子（15）、水平直线电机导轨（16），垂直直线电机导轨（14）固定在水平方向直线电机动子（15）上；垂直直线电机导轨（14）和水平直线电机导轨（16）上均安装有光栅尺。

3.根据权利要求1所述的基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，其特征在于：所述测试台支架包括工件支架（23）、夹具（24），若干个夹具（24）中间放置被测工件（25），且夹具（24）可沿工件支架（23）上下移动。

4.根据权利要求1所述的基于复合微进给轴驱动的超长工件直线度检测装置，其特征在于：所述激光位移传感器（27）通过传感器夹具（26）连接在垂直直线电机动子（13）左侧的激光干涉仪支架上。

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