CN107014335A - 一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,滚动导轨系统由床身、工作台、导轨、滑块、丝杠和电机组成,包括以下步骤:(1)布置由位移传感器、激光干涉仪和电子水平仪组成的滚动导轨测试系统;(2)结合位移传感器、激光干涉仪和电子水平仪测量导轨导向面误差;(3)根据测量结果计算出导轨上被支撑滑块的直线度误差;(4)通过平行度评价方法计算导轨在水平和垂直方向的平行度。本发明通过合理布置位移传感器,结合激光干涉仪、电子水平仪等仪器测量导轨导向面误差,然后根据测量结果计算出两条导轨上被支撑滑块的直线度误差,最后通过平行度评价方法计算导轨的在水平和垂直方向的平行度。

Description

一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及滚动导轨系统测量领域,更具体的说,是涉及一种测量滚动导轨系统 导向面误差及平行度的方法。
背景技术
[0002] 世界范围内装备制造业的竞争,使得机床向高精度和大型化方向发展(Kim G H, Han J A,Lee S K.Motion error estimation of slide table on the consideration of guide parallelism and pad deflection[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2014,15 ⑶:1935-1946.)导轨是机床的重要部件,工作 台的滑块的运动以导轨为基准,所以,导轨导向面误差直接影响其支撑部件的运动精度,进 而影响到机床的性能和被加工工件的加工精度。因此,准确获得导轨几何误差及其平行度 误差是提高工件加工精度的重要前提,具有重要的现实意义。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种检测双导轨导向面轮廓误差的方法,并提出了两条导轨平行度 的评定方法,本发明通过合理布置位移传感器,结合激光干涉仪、电子水平仪等仪器测量导 轨导向面误差,然后根据测量结果计算出两条导轨上被支撑滑块的直线度误差,最后通过 平行度评价方法计算导轨的在水平和垂直方向的平行度。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005] —种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,滚动导轨系统由床身、工作 台、导轨、滑块、丝杠和电机组成,包括以下步骤:
[0006] (1)布置由位移传感器、激光干涉仪和电子水平仪组成的滚动导轨测试系统;
[0007] (2)结合位移传感器、激光干涉仪和电子水平仪测量导轨导向面误差;
[0008] (3)根据测量结果计算出导轨上被支撑滑块的直线度误差;
[0009] ⑷通过平行度评价方法计算导轨在水平和垂直方向的平行度。
[0010] 步骤(2)中激光干涉仪测量滚动导轨系统的偏摆角误差θζ (X),电子水平仪测量滚 动导轨系统的俯仰角9y(x),位移传感器测量以工作台为基准的滚动导轨导向面的位移变 化量。
[0011] 所述滚动导轨系统包括两条导轨。在导轨每个导向面上一前一后分别安装有一个 位移传感器。
[0012] 所述激光干涉仪和电子水平仪均安装在工作台的上表面。
[0013] 与现有技术相比,本发明的技术方案所带来的有益效果是:
[0014] 机床导轨几何误差的测量有重大的现实意义,现有的导轨几何误差测试方法是针 对某一种导轨类型需要设计和制造专用的工装才能完成误差测试,本发明通过激光干涉 仪、电子水平仪和位移传感器相互配合,不需要设计和制造专用的工装即可完成误差测试, 具有较强的通用性;且本发明方法可以节省大量成本和时间。
附图说明
[0015] 图1被测滚动导轨系统三维结构示意图。
[0016] 图2a导轨导向面轮廓误差主视方向测试原理图。
[0017] 图2b导轨导向面轮廓误差侧视方向测试原理图。
[0018] 图3是滑块的受力平衡示意图。
[0019] 图4是滑块受导轨导向面影响姿态变化图。
[0020] 图5是两导轨Z向平行度评定示意图。
[0021] 附图标记:1-床身,2-工作台,3-导轨,4-滑块,5-丝杠,6-电机,7-位移传感器,8-激光干涉仪,9-电子水平仪
具体实施方式
[0022] 下面结合附图对本发明作进一步的描述:
[0023] 1.导轨导向面误差测量:
[0024] 被测滚动导轨系统三维示意图如图1所示,由床身1、工作台2、导轨3、滑块4、丝杠5 和电机6组成,导轨导向面轮廓误差测试原理如图2a和图2b所示。
[0025] 机床滚动导轨测试系统由位移传感器7、激光干涉仪8和电子水平仪9组成。激光干 涉仪8和电子水平仪9均安装在工作台2的上表面;激光干涉仪8用来测量滚动导轨系统的偏 摆角误差θζ(χ),电子水平仪9测量滚动导轨系统的俯仰角θγ(χ),位移传感器7用来测量以工 作台为基准的滚动导轨型面位移变化量。然后,通过数据分析与处理可得出导轨的几何误 差。
[0026] 在导轨3的每个导向面上一前一后安装两个位移传感器7,位移传感器7与导向面 法向垂直,两位移传感器7测量点位置的距离和工作台2运动的步长相同,两个位移传感器7 的输出信号用SL,jkA(X)、SL,jkB (X)、SR,jkA(X)、SR,jkB (X)表不,其中1^代表左导轨,1?代表右导轨, j与图2a中的标记相同,为导向面的编号,两条导轨3—共八个导向面,总共用16个位移传感 器7。
[0027] 在安装好位移传感器7、激光干涉仪8和电子水平仪9以后,根据递推测试每步的步 长将滚动导轨被测量的部分均分并做好标记,两个位移传感器7测头在滚动导轨滑块接合 面上测点的距离为测试时的步长。测量时由零点位置开始,一次走一个步长,首尾相接并记 录数据,即位移传感器7、激光干涉仪8和电子水平仪9的读数。其中导轨导向面的误差按如 下公式进行递推:
[0028]
Figure CN107014335AD00051
[0029]导轨导向面误差e (X)可以通过求解方程组⑴获得,为.
Figure CN107014335AD00052
[0032] 其中0y (xo) =〇, 0Z (xo) =〇
[0033]
Figure CN107014335AD00053
Figure CN107014335AD00054
[0034] 式中,Iab——两传感器之间的距离(步长)
[0035] 2.导轨平行度评定步骤:
[0036] 理想状态下,滑块受力如图3所示,
[0037] 受载荷P的影响,滑块的初始变形
[0038]
Figure CN107014335AD00055
[0039] 其中,
Figure CN107014335AD00056
ί式中:P为滑块受到的载荷,P为滑块与导轨接 触的滚动体个数,Ie为滚动体长度,Sijk为第j行、第k列中第i个滚动体的变形量,Q为在弹性 变形为Sijk时赫兹接触力,α为滚动体与滚道的接触角。
[0040] 受到导轨误差的影响,滑块的运动姿态会发生变化,对测出的导轨误差e (X)进行 拟合,并按照傅里叶级数展开:
[0041]
Figure CN107014335AD00057
[0042] 式中,L为导轨长度,au、bu为傅里叶系数;
[0043] 滑块在Z方向的受力状态如图4所示,将滚动体分为m组,每组滚动体个数为p/m,根 据力和力矩平衡方程,可以求取滑块在Z方向的直线度Z(X)
[0044]
Figure CN107014335AD00061
[0045] 式中一组滚动体在Z方向的合力
Figure CN107014335AD00062
[0046] 传递函数
Figure CN107014335AD00063
[0047] 其中
Figure CN107014335AD00064
[0048] Z方向的误差分量
Figure CN107014335AD00065
[0049] —个滑块中滚动体在Z方向的合力
Figure CN107014335AD00066
[0050] 赫兹接触力
Figure CN107014335AD00067
[0051] 受几何误差影响的滚动体变形
Figure CN107014335AD00068
[0052] 根据以上方程和方程组,求出两条导轨上滑块在Z方向上直线度误差:
[0053]
Figure CN107014335AD00069
[0054] 假设求出的两条导轨上滑块在Z方向上直线度误差如图5所示,以左侧导轨位基 准,将Zl (X)按照最小二乘法拟合为一条直线lzL (X),然后计算右导轨Zr (X)上所有点到Izl (X)的距离,求出最大距离dzmax和最小距离CUin,则导轨在Z方向的平行度误差为:
[0055]
Figure CN107014335AD000610
[0056] 同理,可以求出两条导轨上滑块在Y方向上直线度误差:
[0057]
Figure CN107014335AD000611
[0058] 以左侧导轨位基准,将Yl (X)按照最小二乘法拟合为一条直线lyL (X),然后计算右 导轨Yr(X)上所有点到U(X)的距离,求出最大距离dymax和最小距离dy_,则导轨在Y方向的 平行度误差为
[0059]
Figure CN107014335AD000612
[0060] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说 明本发明的技术方案,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,并不是限制性的。在不脱离本 发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可 做出很多形式的具体变换,这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,滚动导轨系统由床身、工作台、 导轨、滑块、丝杠和电机组成,其特征在于,包括以下步骤: (1)布置由位移传感器、激光干涉仪和电子水平仪组成的滚动导轨测试系统; ⑵结合位移传感器、激光干涉仪和电子水平仪测量导轨导向面误差; ⑶根据测量结果计算出导轨上被支撑滑块的直线度误差; ⑷通过平行度评价方法计算导轨在水平和垂直方向的平行度。
2. 根据权利要求1所述一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,其特征在 于,步骤(2)中激光干涉仪测量滚动导轨系统的偏摆角误差θζ (X),电子水平仪测量滚动导 轨系统的俯仰角9\〇〇,位移传感器测量以工作台为基准的滚动导轨导向面的位移变化量。
3. 根据权利要求1所述一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,其特征在 于,所述滚动导轨系统包括两条导轨。
4. 根据权利要求1或3所述一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,其特征 在于,在导轨每个导向面上一前一后分别安装有一个位移传感器。
5. 根据权利要求1所述一种测量滚动导轨系统导向面误差及平行度的方法,其特征在 于,所述激光干涉仪和电子水平仪均安装在工作台的上表面。
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