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
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
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 considerationof guide parallelism and pad deflection[J].International Journal of PrecisionEngineering and Manufacturing,2014,15(9):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
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。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
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。
步骤(2)中激光干涉仪测量滚动导轨系统的偏摆角误差θz(x)，电子水平仪测量滚动导轨系统的俯仰角θy(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。
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。
所述激光干涉仪和电子水平仪均安装在工作台的上表面。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
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
图1被测滚动导轨系统三维结构示意图。
图2a导轨导向面轮廓误差主视方向测试原理图。
图2b导轨导向面轮廓误差侧视方向测试原理图。
图3是滑块的受力平衡示意图。
图4是滑块受导轨导向面影响姿态变化图。
图5是两导轨Z向平行度评定示意图。
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
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
1.导轨导向面误差测量：
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。
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θz(x)，电子水平仪9测量滚动导轨系统的俯仰角θy(x)，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。
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)表示，其中L代表左导轨，R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3一共八个导向面，总共用16个位移传感器7。
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：
导轨导向面误差e(x)可以通过求解方程组(1)获得，为.
eR,jk(xi+2)＝eR,jk(xi+1)+SR,jkB(xi)-SR,jkA(xi)+(-1)jlabθy(xi)/sinα+(-1)jlabθz(xi)/cosα
eL,jk(xi+2)＝eL,jk(xi+1)+SL,jkB(xi)-SL,jkA(xi)+(-1)jlabθy(xi)/sinα+(-1)jlabθz(xi)/cosα
其中θy(x0)＝0,θz(x0)＝0
SR,jkA(x0)＝0,SR,jkB(x0)＝0,eR,jk(x1)＝0,SL,jkA(x0)＝0,SL,jkB(x0)＝0,eL,jk(x1)＝0
式中，lab——两传感器之间的距离(步长)
2.导轨平行度评定步骤：
理想状态下，滑块受力如图3所示，
受载荷P的影响，滑块的初始变形
其中，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，le为滚动体长度，δijk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δijk时赫兹接触力，α为滚动体与滚道的接触角。
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：
式中，L为导轨长度，au、bu为傅里叶系数；
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)
式中一组滚动体在Z方向的合力
传递函数
其中ω＝2π/λ，
Z方向的误差分量ez(ω)＝e(ω)sinα，
一个滑块中滚动体在Z方向的合力
赫兹接触力
受几何误差影响的滚动体变形ξijk(x)＝δijk-(-1)jejk(xi)；
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：
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lzL(x)的距离，求出最大距离dzmax和最小距离dzmin，则导轨在Z方向的平行度误差为：
f平行z＝dzmax-dzmin
同理，可以求出两条导轨上滑块在Y方向上直线度误差：
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lyL(x)的距离，求出最大距离dymax和最小距离dymin，则导轨在Y方向的平行度误差为
f平行y＝dymax-dymin
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；
(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。
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θz(x)，电子水平仪测量滚动导轨系统的俯仰角θy(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。
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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