CN103894882B - 高速机床动态误差测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高速机床动态误差测量系统。该高速机床动态误差测量系统，包括：参照物；固定于高速运动的机床大部件并随机床大部件做高速运动的刻度装置；记录参照物位于刻度装置的刻度位置以获取高速运动的机床大部件在运行过程中运行轨迹之间的偏差的高速图像记录设备。该高速机床动态误差测量系统，包括：机床小部件；固定设置于高速运动的机床小部件一侧的刻度装置；设置于高速运动的机床小部件另一侧，记录高速运动的机床小部件位于刻度装置的刻度位置的高速图像记录设备。本发明在高速图像记录设备可直接读取高速运动的机床大部件或小部件位于刻度装置的刻度位置，从而直接、有效、方便的测量出高速运动的机床大部件或小部件的动态误差。
Description
技术领域
本发明涉及机床动态误差测量技术领域，尤其涉及一种高速机床动态误差测量系统。
背景技术
对于高速高精机床，其动态特性对其工作性能、效率、稳定性、可靠性等有着极其重要的影响。为了能让机床更加高速、高效、高质量地工作，机床动态误差的研究是必不可少的一项内容。
机床动态误差在此指机床在运行过程中运行轨迹之间的偏差。
目前对于动态误差的测量方法一般有四种：一是采用单维度的激光干涉仪跟随运动物体测得动态精度；二是采用二维光栅直接测量出物体在运动平面的两维动态精度；三是采用激光准直仪测量准静态的位置误差；四是目前全世界仍在研发阶段的多维激光矫正系统，此系统一次可以测量出运动物体的多维运行精度。
以上四种方法均能测量出动态误差，但是应用场合不尽相同。激光准直仪一般只能进行静态或是准静态的测量，对高速运动的物体（高速机床）来说，激光准直仪就没法真正做到动态误差的测量；其它三种仪器虽然能做到动态误差测量，但是仪器本身采集到数据后需要对采集量做相应处理才能得出测量结果。并且由于仪器本身的质量较大，会在测试过程中加入额外的惯性，对测量结果产生一定影响。特别是对小尺寸物体（高速运动的机床的小部件）的动态误差，这些仪器更是难以测量，甚至可能没法进行测量。此外，为了对工况进行测试，测试过程也需要工装设计，工装的设计安装调试也是一个非常耗时和繁琐的过程。
综上所述，对于高速机床尤其是机床的高速运动的小部件的动态误差的测量，现有技术尚未提供方便、有效的测量系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速机床动态误差测量系统，其可对高速运动的机床大部件或小部件的动态误差进行有效、方便的测量。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种高速机床动态误差测量系统，包括：
参照物；
位于所述参照物一侧，固定于高速运动的机床大部件并随所述机床大部件相对于所述参照物做高速运动的刻度装置；
位于所述参照物另一侧，记录所述参照物位于所述刻度装置的刻度位置以获取高速运动的机床大部件在运行过程中运行轨迹之间的偏差的高速图像记录设备。
一种高速机床动态误差测量系统，包括：
机床小部件；
固定设置于高速运动的机床小部件的一侧的刻度装置；
设置于高速运动的机床小部件的另一侧，记录所述高速运动的机床小部件位于所述刻度装置的刻度位置以获取高速运动的机床小部件在运行过程中运行轨迹之间的偏差的高速图像记录设备。
本发明所提供的高速机床动态误差测量系统，高速图像记录设备可直接读取高速运动的机床大部件或小部件位于所述刻度装置的刻度位置，从而直接、有效、方便的测量出高速运动的机床大部件或小部件的动态误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高速机床动态误差测量系统测量机床大部件动态误差的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的高速机床动态误差测量系统测量机床小部件动态误差的原理示意图；
图3、4为本发明实施例提供的高速机床动态误差测量系统的光刻玻璃线板对齐的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。
图1、2为本发明实施例提供高速机床动态误差测量系统测量机床的大部件、小部件的动态误差的原理示意图。
本发明实施例提供了一种高速机床动态误差测量系统，包括：参照物3；位于所述参照物3一侧，固定于高速运动的机床大部件1并随所述机床大部件1相对于参照物3做高速运动的刻度装置2；位于所述参照物3另一侧，记录所述参照物3位于所述刻度装置2的刻度位置以获取高速运动的机床大部件1在运行过程中运行轨迹之间的偏差的高速图像记录设备4。
本发明实施例中，所述参照物3为标杆31。
本发明实施例中，所述刻度装置2为光刻玻璃线板21。
本发明实施例中，所述高速图像记录设备4采用高速摄像机41。
本发明实施例中，所述光刻玻璃线板21的刻线宽度以及刻线间距均为微米级。
本发明实施例提供了一种高速机床动态误差测量系统，包括：机床小部件11；固定设置于高速运动的机床小部件11一侧的刻度装置2；设置于高速运动的机床小部件11的另一侧，记录所述高速运动的机床小部件11位于所述刻度装置2的刻度位置以获取高速运动的机床小部件11在运行过程中运行轨迹之间偏差的高速图像记录设备4。
本发明实施例中，所述刻度装置2为光刻玻璃线板21。
本发明实施例中，所述高速图像记录设备4采用高速摄像机41。
本发明实施例中，所述光刻玻璃线板21的刻线宽度以及刻线间距均为微米级。
以下对本发明实施例所提供的高速机床动态误差测量系统的测量原理作进一步说明。
高速摄像机41是一种能够以高帧率摄取影像的数码设备；光刻玻璃线板是一种采用光刻的方法在玻璃上刻下相应线距/线宽的线条的玻璃板。
由于所要测量的机床大部件1与小部件11的体积、质量存在区别，在实际测量中，可采取相应的测量方式：
在测量机机床大部件1的动态误差时，一般情况下，由于机床大部件1的体积相对会比较大，因此，将可能出现高速摄像仪41难以清晰的摄取机床大部件1的轮廓，或即使能清晰摄取机床大部件1的轮廓但视场并不合适等不适合记录机床大部件1位于光刻玻璃线板21刻度位置的情况。为解决这样的问题，可将光刻玻璃线板21固定于机床大部件1上，并在机床大部件1以及高速摄像机41之间设置标杆31。此时光刻玻璃线板21随机床大部件1高速运动，高速摄像机41将机床大部件1的运动过程记录下来。通过选取高速摄像机41所记录的机床大部件1的运动过程中相应运动状态的图像帧，可直接读取标杆31位于光刻玻璃线板21的刻度位置，从而方便的测量出高速运动的机床大部件1的动态误差。
在测量机床小部件11的动态误差时，将光刻玻璃线板21设置于机床小部件11的一侧，将高速摄像机41设置于机床小部件11的另一侧。机床小部件11在光刻玻璃线板21以及高速摄像机41之间高速运动，高速摄像机41将机床小部件11的运动过程记录下来。通过选取高速摄像机41所记录的机床小部件11的运动过程中相应运动状态的图像帧，可直接读取机床小部件11位于光刻玻璃线板21的刻度位置，从而方便地测量出高速运动的机床小部件11的动态误差。
当所要测量的机床小部件11的尺寸过小时，尤其需要测量微米量级的尺寸时，高速摄像机41需要使用显微镜头6。此外，如果镜头景深不够，将难以同时看清机床小部件11以及光刻玻璃线板21。此时可采用将光刻玻璃线板21与机床小部件11设置于同一平面，将高速摄像机41与计算机连接，在计算机屏幕上绘制与光刻玻璃线板21的刻度线一致的线条的方法来解决景深问题，从而测量出该机床小部件11的动态误差。
以上说明了高速运动的机床大部件1以及小部件11两种不同体积的动态误差测量方法，该描述中，大与小为相对的概念，其测量方法的选取主要考虑光刻玻璃线板21是否可固定于该高速运动的机床大部件1上或该高速摄像仪41是否可清晰的摄取机床大部件1的轮廓位于光刻玻璃线板21刻度位置的情况。
高速摄像机41在记录高速运动的机床大部件1以及小部件11的运动过程前。为更方便、准确的读取标杆31位于光刻玻璃线板21的刻度位置、或机床小部件11位于光刻玻璃线板21的刻度位置，还需要进行标杆31与光刻玻璃线板21的对齐操作、或机床小部件11与光刻玻璃线板21的对齐操作。
图3、4为本发明实施例提供的高速机床动态误差测量系统的光刻玻璃线板对齐的原理示意图。本实施例中采用两点一线的方法进行对齐操作。
对于机床小部件11与光刻玻璃线板21的对齐操作（为简便说明该对齐操作，本实施例中，采用PCB数控钻机的钻头作说明，该PCB数控钻机的钻头如图3、4中的标号5所示），可在钻头5刚进入高速摄像机41的视场和运动到最大行程时与光刻玻璃线板21相交的两个位置设定为A1、B1两点，让钻头5在高速摄像机41的视场内反复运动，通过调整光刻玻璃线板21，最终使A1、B1两点同处于光刻玻璃线板21的同一条刻线上，其最终效果为使得钻头5运行方向与光刻玻璃线板的刻线是平行的。
对于标杆31与光刻玻璃线板21的对齐操作，其对齐原理与机床小部件11与光刻玻璃线板21的对齐操作原理相同。该对齐操作中，光刻玻璃线板21固定于机床大部件1并随机床1高速运动。此时，可在光刻玻璃线板21刚进入高速摄像机41的视场和运动到最大行程时与标杆31相交的两个位置设定为A2、B2两点，让光刻玻璃线板21在高速摄像机41的视场内反复运动，通过调整光刻玻璃线板21或标杆31，最终使A2、B2两点同处于光刻玻璃线板21的同一条刻线上，其效果为效果是使得机床大部件1运行方向与光刻玻璃线板的刻线是平行的。光刻玻璃线板21固定于机床大部件1的固定方法可以采用带有微调结构的工装形式进行固定或是采用贴装的方式进行固定等，主要能达到前期可调节后期可固定的效果即可。
以下结合实际测量PCB数控钻机钻头的动态误差对本发明实施例所提供的高速机床动态误差测量系统的测量原理作进一步说明。
PCB数控钻机的高速气浮主轴夹持着直径0.1mm、刃长1.8mm的钻头5以转速150krp/min在高速旋转，主轴部分在电机的驱动下以400hits/min的速度在行程3mm范围内上下运行。如此小的钻头5在高速旋转下快速的上下运动，为了测量出钻头5在上下运行过程中的动态误差，现有技术的测试系统/测试方法都难以完成测试。
本发明实施例所提供的高速机床动态误差测量系统可对该钻头5在上下运行过程中的动态误差进行有效、方便的测量。
该测量中，高速摄像机41使用美国PhantomV611高速数字摄像机（1280×8006242帧/秒，最高拍摄速率680000帧/秒，最小曝光时间1μs，两次曝光最小时间间隔500ns），镜头为美国Navitar5.5到67放大倍率而物距为33mm的显微镜头6，光刻玻璃线板21为明暗线宽和线间距均为2μm，另外还设置两台功率均为350W的氙灯光源。
由于钻头5体积很小，因此采用测量机床的小部件11的动态误差的测量方法。此外，由于钻头5的转速150krp/min以及上下运动的速度400hits/min都非常的快；而且所要测量的动态误差的精度是微米量级，而钻头5的上下运动使得光刻玻璃线板21与钻头5之间不能完全贴近，其之间的距离至少在0.05mm以上。两个量级相差悬殊，因此根据镜头的不同，拍摄时极有可能不能同时使得光刻玻璃线板21和钻头5清晰可见，也即存在景深问题。为解决景深的问题，高速摄像机41需要使用景深适当的显微镜头6。（如果镜头无法达到要求，此时可采用将光刻玻璃线板21与机床小部件11设置于同一平面，将高速摄像机41与计算机连接，在计算机屏幕上绘制与光刻玻璃线板21刻度线一致的线条的方法解决景深问题，从而测量出该机床小部件11的动态误差。）
让机床运行测试程序，把机床程序调节正确，并做好硬性保护措施，防止操作不当等原因导致机床和仪器的损坏。打开光源，调节到合适强度。将高速摄像机41探至与钻头5相距33mm左右的位置处，粗调高速摄像机41的位置使得钻头5进入视场以内，且钻头5上下运动3mm行程基本维持在视场以内。调节显微镜头6的放大倍数到20倍。光刻玻璃线板21的均为2μm的明暗线宽和线间距经过显微镜头6放大20倍后变成40μm。钻头5的0.1mm的直径经显微镜头6放大变成2mm。将光刻玻璃线板21通过可调旋转球头工装固定于机床床身，并位于高速摄像机41拍摄方向的钻头5后方适当位置处。粗调光刻玻璃线板21和高速摄像机41，使得视场内清晰呈现钻头5以及光刻玻璃线板21上的刻线。让机床缓慢往复上下，微调光刻玻璃线板21和高速摄影仪41，使A1、B1点位于光刻玻璃线板21的同一条刻线上，也即钻头5运行方向与光刻玻璃线板21的刻线平行。设定高速摄像机41的拍摄参数，运行机床，高速摄像机41进行拍摄，记录下钻头5的运动过程，从高速摄像机41的录像中即可直接读取钻头5位于光刻玻璃线板21的刻度位置，从而有效、方便的测量出该钻头5的动态误差。由于光刻玻璃线板21的刻线宽度以及刻线间距均为微米级，因此最终测量出的动态误差可达到微米量级，该最终测量出的动态误差为10μm。
综上所述，本发明所提供的高速机床动态误差测量系统，通过高速摄像机41和光刻玻璃线板21，可直接读取高速运动的机床大部件1或小部件11位于光刻玻璃线板21的刻度位置，从而直接、有效、方便的测量出高速运动的机床大部件1或小部件11的微米量级的动态误差；采用该高速机床动态误差测量系统，无需中间的数据处理，无需借助额外过多的工装，并对测量物体的大小轻重无要求，实现直接、有效、方便的宽范围的不带入额外影响的微米量级的机床动态误差的测量。
以上所述仅为本发明优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种高速机床动态误差测量系统，其特征在于，包括：
参照物(3)；
位于所述参照物(3)一侧，固定于高速运动的机床大部件(1)并随所述机床大部件(1)相对于所述参照物(3)做高速运动的刻度装置(2)；
位于所述参照物(3)另一侧，记录所述参照物(3)位于所述刻度装置(2)的刻度位置以获取高速运动的机床大部件(1)在运行过程中运行轨迹之间的偏差的高速图像记录设备(4)。
2.如权利要求1所述的高速机床动态误差测量系统，其特征在于，所述参照物(3)为标杆(31)。
3.如权利要求1所述的高速机床动态误差测量系统，其特征在于，所述刻度装置(2)为光刻玻璃线板(21)。
4.如权利要求1所述的高速机床动态误差测量系统，其特征在于，所述高速图像记录设备(4)采用高速摄像机(41)。
5.如权利要求3所述的高速机床动态误差测量系统，其特征在于，所述光刻玻璃线板(21)的刻线宽度以及刻线间距均为微米级。
6.一种高速机床动态误差测量系统，其特征在于，包括：
机床小部件(11)；
固定设置于高速运动的机床小部件(11)一侧的刻度装置(2)；
设置于高速运动的机床小部件(11)的另一侧，记录所述高速运动的机床小部件(11)位于所述刻度装置(2)的刻度位置以获取高速运动的机床小部件(11)在运行过程中运行轨迹之间的偏差的高速图像记录设备(4)；
所述刻度装置(2)为光刻玻璃线板(21)；
所述高速图像记录设备(4)采用高速摄像机(41)；
当所述机床小部件(11)的尺寸为微米量级的尺寸时，所述高速摄像机(41)使用显微镜头(6)，将所述光刻玻璃线板(21)与所述机床小部件(11)设置于同一平面，将所述高速摄像机(41)与计算机连接，在计算机屏幕上绘制与光刻玻璃线板(21)的刻度线一致的线条。
7.如权利要求6所述的高速机床动态误差测量系统，其特征在于，所述光刻玻璃线板(21)的刻线宽度以及刻线间距均为微米级。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 518000 Shenzhen Province, Nanshan District high tech park, North West New Road, No. 9 Applicant after: HANS LASER TECHNOLOGY INDUSTRY GROUP CO., LTD. Applicant after: Shenzhen Dazu Digital Control Science & Technology Co., Ltd. Address before: 518000 Shenzhen Province, Nanshan District high tech park, North West New Road, No. 9 Applicant before: Dazu Laser Sci. & Tech. Co., Ltd., Shenzhen Applicant before: Shenzhen Dazu Digital Control Science & Technology Co., Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: DAZU LASER SCI. + TECH. CO., LTD., SHENZHEN TO: HAN'S LASER TECHNOLOGY INDUSTRY GROUP CO., LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200727 Address after: 518000 workshop 5 / F, 1 / 2 / F, 14 / F, 17 / F, antuoshan hi tech Industrial Park, Xinsha Road, Shajing street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: SHENZHEN HAN'S CNC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 518000 No. 9 West West Road, Nanshan District hi tech park, Shenzhen, Guangdong Co-patentee before: SHENZHEN HAN'S CNC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: HAN'S LASER TECHNOLOGY INDUSTRY GROUP Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 518000 5 / F, 1 / 2 / F, 14 / F, 17 / F, No.3 Factory building, antuoshan hi tech Industrial Park, Xinsha Road, Shajing street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen Han's CNC Technology Co.,Ltd. Address before: 518000 5 / F, 1 / 2 / F, 14 / F, 17 / F, No.3 Factory building, antuoshan hi tech Industrial Park, Xinsha Road, Shajing street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: SHENZHEN HAN'S CNC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. |