CN103737427A - 一种机床多运动轴平行度的检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床多运动轴平行度的检测装置和方法，通过控制两个或多个平行运动轴组合互补运动后，利用CCD检测标定板上观测点P的偏移量来实现多运动轴平行度检测。将CCD测量装置固定在待检测运动轴上，控制待检测运动轴移动至上限位。主运动轴带动待检测运动轴向下运动使P清晰呈现在测量显示系统上。水平移动标定板使P与测量显示系统上的中心基准点O重合。主运动轴向上移动距离H，待检测运动轴向下移动距离H，此时标定板上的P显示于测量显示系统上点O’。通过计算O’和O之间的像素位置偏移并通过CCD的分辨率计算两运动轴间平行度。本发明实现了快捷方便的非接触式运动轴二维平行度测量，提高了测量和调整多运动轴平行度的效率。

Description

一种机床多运动轴平行度的检测装置和方法

技术领域

本发明涉及机床检测领域，尤其涉及一种机床多运动轴平行度的检测装置和方法。 

背景技术

在先进制造领域，人们越来越多地通过在主运动轴上并接其他运动单元来实现更为柔性的运动系统，完成更复杂加工任务。如中国专利文献CN201881047U“一种多轴数控激光加工装置”，通过将激光加工头并接到数控机床的末端，从而完成对更大尺寸零件的加工。中国专利文献CN102151984A“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”，通过将具备两轴激光振镜和Z轴移动的激光加工头并接到五轴联动机床，完成对自由曲面的表面激光加工。 

由于设计制造和安装等因素的影响，多轴数控机床各平行运动轴之间的平行度存在的偏差会显著影响到系统最终加工精度。因此，检测和调节机床各运动轴的平行度是一项重要的任务。 

目前的主要检测方式为采用千分表来检测各轴之间的平行度。千分表接触各运动轴侧面相对移动，利用表针的读数变化和运动轴移动的距离求得平行度。 

但在具体进行检测时，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足： 

1、使用千分表接触的运动轴侧面与轴运动方向平行度要求高，而运动轴侧面与运动方向受加工精度和装配的影响，因此存在较多的误差影响因素； 

2、需对X和Y方向的偏移分别进行测量，测量步骤较为繁琐； 

3、测量结果不够直观，不易于数字化处理，常常需要后期人为计算处理。 

发明内容

本发明提供了一种机床多运动轴平行度的检测装置和方法，目的在于使操作简便直观，测量精度高，实现XY方向偏移同时测量，并有利于对多个平行运动轴平行度的实时监测调整。 

本发明提供的一种机床多运动轴平行度的检测装置，其特征在于，该装置包括CCD测量系统，测量显示系统和标定板；CCD测量系统和标定板使用时分别安装于待检测运动轴或基座上，CCD测量系统用于获取标定板的检测图像；测量显示系统与CCD测量系统电信号连接，用于接收标定板的检测图像，并用于对采集到的图像信息处理及平行度计算。 

所述CCD测量系统由CCD传感器和工业显微镜头连接构成。 

本发明提供的一种机床多运动轴平行度的检测方法，其特征在于，该方法按照下述步骤对每个待检测运动轴进行检测： 

第1步控制待检测运动轴独立向上移动到上限位，然后待检测运动轴再随其主运动轴一起向下移动，使标定板的观测点P落在CCD测量系统的焦平面上； 

第2步移动标定板使其观测点P的第一成像点与测量显示系统的观测中心O重合； 

第3步所述主运动轴带动待检测运动轴一起向上移动距离H，然后待检测运动轴再独立向下移动距离H，此时标定板的观测点P落在测量显示系统上第二成像点O’，其中，H为待检测运动轴的上限位与下限位之间的距离； 

第4步如果成像点O’和O重合，则说明待检测运动轴与其主运动轴平行，否则通过成像点O’和O之间的像素偏移量及CCD分辨率计算O’ 和O之间几何位置偏移，并结合运动轴移动量H来计算两轴间的平行度误差。 

本发明通过运动轴组合运动后CCD测量观测点偏移量来实现平行度测量，具体而言，本发明具有以下有益效果： 

1.采用了CCD图像传感装置非接触测量方式，测量显示系统实时显示目标观测点的位置偏移并计算出平行度结果，直观方便快捷； 

2.可以同时完成对两平行运动轴之间X、Y方向的偏移量检测； 

3.观测的基准点可以是任何预先标记的微小目标，测量系统易于搭建。 

4.可根据测量精度要求采用不同放大倍率的工业显微镜，可获得0.2um到数十微米的位置偏移检测精度； 

5.通过CCD测量显示系统可实现运动轴平行度实时监测，使得平行度调整过程更为简便可行。 

附图说明

图1为待检测运动轴处于上限位时CCD测量系统观测标定板上基准点的示意图。 

图2为测量显示系统上显示的图1所示意位置CCD测量系统采集到的图像； 

图3为待检测运动轴随主运动轴向上运动H，CCD测量系统观测标定板上基准点的示意图。 

图4为待检测运动轴向下运动H，CCD测量系统观测标定板上基准点的示意图。 

图5为图4所示意位置时测量显示系上观察到的CCD采集图像。 

图6为CCD测量系统的结构示意图。 

图7为本发明的另一种具体实现方式的结构示意图。 

具体实施方式

本发明通过控制机床两个或多个平行运动轴组合互补运动后，利用CCD检测标定板上观测点的偏移量来实现多运动轴平行度检测。基本思想是将CCD测量装置固定在待检测运动轴上，控制待检测运动轴移动至上限位。主运动轴带动待检测运动轴向下运动使标定板上的观测点P清晰呈现在测量显示系统上。水平移动标定板使观测点P与测量显示系统上的中心基准点O重合。主运动轴向上移动距离H，待检测运动轴向下移动距离H，此时标定板上的观测点P显示于测量显示系统上点O’。通过计算测量显示系统上O’和基准点O之间的像素位置偏移并通过CCD的分辨率将像素偏移量转化为真实的几何位置偏移量，从而完成计算两运动轴间平行度。 

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 

如图1所示，本发明提供的一种机床多运动轴平行度的检测装置包括CCD测量系统1，测量显示系统6和标定板5。CCD测量系统1和标定板5使用时分别安装于待检测运动轴2或基座(如水平工作台)上，CCD测量系统1用于获取标定板5的检测图像；测量显示系统6与CCD测量系统1电信号连接，用于接收标定板5的检测图像，并用于对采集到的图像信息处理及平行度计算。 

标定板5为有一基准点或十字中心线的平面板或类似装置。如图6所示，CCD测量系统由CCD传感器7和工业显微镜头8构成，工业显微镜头可以达到0.2um的检测精度。 

本发明提供的一种机床多运动轴平行度的检测方法，所述方法主要包括以下步骤： 

1.CCD测量系统1布置在待检测运动轴上，并将测量显示系统6与CCD 测量系统1电信号连接，标定板5布置在基座上。 

如图1所示，CCD测量系统1固定在待检测运动轴2上，但CCD测量系统1可以布置在待检测运动轴或基座上。 

2.运动控制系统4控制待检测运动轴2独立向上移动到上限位，主运动轴3带动待检测运动轴2向下移动，使标定板5的观测点P落在CCD测量系统1的焦平面上，此时，测量显示系统6会出现最为清晰的监控画面。 

主运动轴3是指与待检测运动轴2连接并带动其移动的运动轴。 

测量显示系统6中出现清晰的标定板5画面，测量显示系统6对机床上下运动距离进行实时反馈。 

3.移动标定板5使其观测点P的第一成像点与测量显示系统6的观测中心O重合，如图2所示。 

4.主运动轴3带动待检测运动轴2一起向上移动距离H，然后待检测运动轴2再独立向下移动距离H，如图4所示。此时标定板的观测点P落在测量显示系统6上第二成像点O’。如果O’和O点重合，则两轴平行度，平行度最佳。如果O’和O点不重合，则说明两轴之间存在一定的平行度误差，更有甚者O’是一模糊成像点，则说明两轴之间偏移量太大以至于组合互补运动后，观测点超出了CCD镜头景深范围，此时可以微调主运动轴3，使得O’也能清晰成像。O’和O点在X、Y方向上多像素偏移量px，py越大则意味着两轴平行度越差。如图5所示。 

H为待检测运动轴2的运动上、下限位之间的距离。 

5.通过成像点O’和O之间的像素偏移量及CCD分辨率计算O’和O之间几何位置偏移，进一步结合运动轴移动量H来计算两轴间的平行度。 

通过测量显示系统6上点O’和O之间像素偏移量px、py及CCD采集图像点像素分辨率r可以计算出O’和O之间几何位置偏移dx、dy，其计算公式为：dx=px*r，dy=py*r 

进一步结合运动轴移动量H来计算两轴的平行度误差可以表示为： 

$f=\frac{\sqrt{{\mathrm{dx}}^2+{\mathrm{dy}}^2}}{H}.$

6.CCD测量系统1固定在将要其它待检测运动轴2上，按照相同的步骤，利用各轴之间的差动，就可以获得各轴之间的平行度。 

所述方法还可以将CCD测量系统1置于基座不同位置，将标定板固定在待检测运动轴2上，观测各轴的平行度关系，如图7所示。图7是CCD测量系统1放置在基座上。 

本发明方法通过待测多个运动轴的组合互补运动来实现观测目标点在CCD测量显示系统上成像清晰，测量显示系统6实时显示CCD测量装置的检测图像。测量显示系统6能根据观测点在屏幕上的像素位置偏移和像素分辨率来计算观测点与CCD中心的几何位置偏移，并结合运动轴移动量H来计算平行度。 

所述的方法中还包括标定板5或类似观测目标也可以固定到待检测运动轴2上，而CCD测量系统1可以固定安装在基座上，以相同差动运动方式来完成检测。 

本发明中心思想是通过待测多运动轴的组合运动形成可测量的观测点位置偏移，来实现运动轴平行度检测，因此本发明不仅仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的技术方案、思路和装置，做一些简单的变化或更改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (4)

1.一种机床多运动轴平行度的检测装置，其特征在于，该装置包括CCD测量系统，测量显示系统和标定板；CCD测量系统和标定板使用时分别安装于待检测运动轴或基座上，CCD测量系统用于获取标定板的检测图像；测量显示系统与CCD测量系统电信号连接，用于接收标定板的检测图像，并用于对采集到的图像信息处理及平行度计算。 

2.根据权利要求1所述的机床多运动轴平行度的检测装置，其特征在于，所述CCD测量系统由CCD传感器和工业显微镜头连接构成。 

3.一种机床多运动轴平行度的检测方法，其特征在于，该方法按照下述步骤对每个待检测运动轴进行检测： 

第1步控制待检测运动轴独立向上移动到上限位，然后待检测运动轴再随其主运动轴一起向下移动，使标定板的观测点P落在CCD测量系统的焦平面上； 

第2步移动标定板使其观测点P的第一成像点与测量显示系统的观测中心O重合； 

第3步所述主运动轴带动待检测运动轴一起向上移动距离H，然后待检测运动轴再独立向下移动距离H，此时标定板的观测点P落在测量显示系统上第二成像点O’，其中，H为待检测运动轴的上限位与下限位之间的距离； 

第4步如果成像点O’和O重合，则说明待检测运动轴与其主运动轴平行，否则通过成像点O’和O之间的像素偏移量及CCD分辨率计算O’和O之间几何位置偏移，并结合运动轴移动量H来计算两轴间的平行度误差。 

4.根据权利要求1所述的机床多运动轴平行度的检测方法，其特征在于，所述平行度误差的计算公式为： 

其中，dx=px*r，dy=py*r，px、py分别为测量显示系统上成像点O’和O之间像素偏移量，r为CCD采集图像点像素分辨率。 

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