CN108415368A - 一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法 - Google Patents

Abstract

一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法，属于数控机床检测技术领域。该方法首先将测量装置安装于直线运动轴，并随着直线运动轴以三种不同速度匀速运动，上层测量系统自动进行多通道采集、存储运动测点加速度数据；然后，基于相同几何误差信号可分解为不同频率分量，对不同测速下加速度信号进行滤波；最后，对滤波后的各加速度数据时域二次积分得到位移数据，并对三种测速下的位移数据进行数据叠加，完成直线运动轴变形计算；通过端点连线法计算直线运动轴的直线度，完成机床直线运动轴的直线度快速测量。本发明具有调试方便、测量效率高、数据处理能力强的优点，可实现机床直线运动轴几何精度的快速测量，设备集成度高、便于实现自动化。

Description

一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法

技术领域

本发明属于数控机床检测技术领域，特别涉及一种数控机床直线运动轴几 何精度快速检测方法。

背景技术

直线运动轴是数控机床的基本组成部分，其精度性能是影响数控机床整机 加工质量的关键。几何精度是直线运动轴的重要精度指标，会随着机床的服役 不可避免地恶化。随着几何精度衰退程度的增加，数控机床不仅无法满足产品 的加工要求，甚至致使机床关键零件的摩擦副过渡磨损，导致机床报废。因此， 数控机床几何精度状态的获取，对于机床在服役过程中精度补偿与机床维护具 有重要意义。实际生产中，机床厂家与用户单位目前采用激光干涉仪、球杆仪 等检测仪器对机床几何精度进行定期测量。然而，这种检测仪器的体积大、造 价高、调试复杂、测量耗时长，严重制约机床精度检测效率，势必影响正常生 产进程。为此，寻求一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法，迫在眉 睫。

研究表明，数控机床直线运动轴几何精度快速检测，需满足测量效率高、 数据处理能力强、装置体积小、价格低廉、调试方便等基本条件，具有极大的 工程挑战性。通过加速度传感器测量直线运动轴运动时垂直于运动方向的加速 度信息，二次时域积分得到运动轴变形，完成几何精度的预估，为数控机床直 线运动轴几何精度快速检测提供了可能性。

2010年西安交通大学郭俊杰、王金栋等在专利发明CN102062575A中公开 了一种基于激光多路分时测量的数控机床几何精度检测方法，该方法采用一台 激光跟踪仪先后在不同的基点位置对机床相同的3D空间进给运动进行测量，具 有较高的精度。2008年海克斯康测量技术有限公司与国家测量技术研究院亚历 山德罗·巴尔萨莫、米凯莱·韦尔迪在专利发明CN101349556中公开了一种确 定机床或测量机中的几何误差的方法，该方法通过测量空间内移动标靶的移动 单元实现几何误差测量。然而，上述测量方法采用的测量装置体积大、造价高、 测量步骤繁杂，无法满足几何精度快速测量的需求。

发明内容

本发明目的在于克服现有方法不足，针对数控机床直线运动轴几何精度快 速检测问题，发明了一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法。该方法 采用装置为加速度传感器，具有抗干扰能力强，分辨率高等优势；装置组件数 量少，成本低、体积小、结构紧凑简单，便于安装。该方法利用相同几何误差 于不同测速下的噪声分布规律，通过滤波保留高信噪比成分，为线性轴几何精 度的精确计算提供数据依据；基于空间频率连续分布原则，融合各测速中高信 噪比带宽的测量数据，增加了测量带宽，为机床几何精度的精确计算奠定基础； 将测量系统安装于机床直线运动轴，可实现机床直线运动轴几何精度的快速测 量，操作简单，设备集成度高、便于实现自动化。

本发明的技术方案：

一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法，采用加速度传感器测量 直线运动轴匀速运动时垂于运动方向的加速度，通过二次积分得到直线运动轴 的变形，进而计算得到直线运动轴的直线度；首先，将测量装置安装于直线运 动轴上，并随着直线运动轴以三种不同速度匀速运动，数据采集卡自动进行多 通道采集和存储运动测点加速度数据；然后，基于相同几何误差信号可分解为 不同频率分量，对不同速度下加速度数据进行滤波；最后，对滤波后的各加速 度数据时域二次积分得到位移数据，并对三种速度下的位移数据进行数据叠加， 完成直线运动轴变形计算；通过端点连线法计算直线运动轴的直线度，完成机 床直线运动轴的直线度快速测量；

具体步骤如下：

第一步，组装数控机床直线运动轴几何精度快速测量装置

采用2个单轴加速度传感器：1^#单轴加速度传感器1和2^#单轴加速度传感器 2组成的两向加速度传感器组；保证1^#单轴加速度传感器1测量方向为n方向， 2^#单轴加速度传感器2测量方向为t方向，两个单轴加速度传感器分别通过螺母 固定在检测盒3中；设定方向I为直线运动轴方向，检测盒3通过侧边法兰安装 在数控机床直线运动轴4上，完成测量装置与数控机床直线运动轴的装夹；

第二步，直线运动轴几何精度快速测量

将测量装置沿方向I以高速中速低速分别从直线运动轴的一 侧匀速运动到另一侧，同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及输出 数字信号数据；其中运动速度为：

其中，为I方向直线运动轴的最大进给速度；三种速度对应的采样频率分别为：

其中，为高速运动下传感器的采样频率，为中速运动下传感器的采样频率，为低速运动下传感器的采样频率；

测量获得I方向直线运动轴在三种速度下的测量加速度子集k为单轴加速度传感器标号，val为测量速度，为k^#单轴加速度传感器在测量速度val条件下、于I 方向的直线运动轴第i测点输出信号，r为直线轴运动轨迹内的测点数，为 k^#单轴加速度传感器在测量速度为val条件下、于I方向的直线运动轴第i测点 的测量时间；

其中，为高速运动下第i测点的测量时间，为中速运动下第i测点的测 量时间，为低速运动下第i测点的测量时间；

第三步，基于空间频率连续条件的滤波

首先，分别对获得的I方向的直线运动轴在高速中速低速测 量条件下的测量加速度子集与进行滤波，在高速、中速和低 速的测量速度val条件下，滤波上限频率与下限频率为

其中，为高速运动下滤波上限频率，为高速运动下滤波下限频率；为中速运动下滤波上限频率，为中速运动下滤波下限频率；为低速运 动下滤波上限频率，为低速运动下滤波下限频率；

按上述操作，得到滤波测量加速度子集其中，滤波信号为k^#单轴加速度传感器在测量速度val条件下、于I方向运动轴第i测点滤波后的 信号；

第四步，数据融合与直线度计算

采用时域积分法对滤波测量加速度子集积分，得到测量速度子集其中

其中，为第i测点的测量速度，为第i+1测点滤波后的信号，为 第m测点滤波后的信号，为第1测点滤波后的信号，为测量速度val条 件下滤波频率；

采用时域积分法对测量速度子集进行积分，得到测量位移子集其中

其中，为第i测点的测量位移，第i+1测点的测量速度，为第i 测点的测量速度，为第1测点的测量速度；

为i测点沿I方向的测量距离，

其中，高速运动下传感器的采样频率，为I方向直线运动轴的最大进给 速度。

将低速、中速和高速测量条件下测量得到的测量位移子集中各元素相加， 完成数据融合，得到

元素的集合为测量位移总集，

其中，为低速、中速和高速测量条件下的测量位移之和，为低速测量条件下的测量位移，为中速测量条件下的测量位移，为高速测量条件下 的测量位移；

最后，计算沿k^#单轴加速度传感器测量方向的直线度；直线度计算采用端 点连线法，方法如下：

测量位移总集各元素到端点连线的距离集合为

其中 为第i测点的测量位移之和，为第1测点的测量位移之和，为第r测点的测量位移之和；中，最大值为Δb_max，最小值为Δb_min； 则直线度f为：

①当Δb_min×Δb_max≤0时，

f＝Δb_max-Δb_min

②当Δb_min≥0且Δb_max≥0时，

f＝Δb_max

③当Δb_min≤0且Δb_max≤0时，

f＝-Δb_min。

本发明的有益效果：采用了加速度传感器测量直线运动轴匀速运动时垂于 运动方向的加速度，并通过二次积分得到直线运动轴的变形的方法，实现了对 数控机床直线运动轴几何精度快速测量。

附图说明

图1是几何精度快速检测装置组成图。

图2是几何精度快速检测装置检测图。

图3是I方向运动轴在三种速度下于n方向的测量加速度子集分布示意图。

图4是I方向运动轴在三种速度下于n方向的滤波测量加速度子集分布示 意图。

图5是低速、中速高速测量条件下于n方向测量位移子集分布示意图。

图6是n方向测量位移总集分布示意图。

图中：1-1#加速度传感器；2-2#加速度传感器；3检测盒；4数控机床直线运动轴；I、n、t为I方向、n方向与t方向。

具体实施方式

下面将结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

被测数控机床为立式加工中心床身，导轨行程长1500mm。

第一步，组装数控机床直线运动轴几何精度快速检测装置

两个单轴加速度传感器：1^#单轴加速度传感器1、2^#单轴加速度传感器2组 成的2向加速度传感器组；保证1^#单轴加速度传感器1测量方向为n方向，2^#单轴加速度传感器2测量方向为t方向，单轴加速度传感器分别通过螺母固定在 检测盒3中；方向I为直线运动轴方向，检测盒3通过侧边法兰固定在直线运动 轴上，完成测量装置与数控机床直线运动轴的装夹。

第二步，直线运动轴几何精度快速测量

I方向运动轴的最大进给速度为531.25mm/s。将测量装置沿I方向以高速中速低速分别从直线运动轴的一侧匀速运动到另一侧， 同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及输出数字信号数据。高速运 动下传感器的采样频率为中速运动下传感 器的采样频率为低速运动下传 感器的采样频率为测量获得：附 图3-I方向运动轴在三种速度下于n方向的测量加速度子集分布；

第三步，基于空间频率连续条件的滤波

分别对测量获得I方向运动轴在高速中速低速测量条件下的 测量加速度子集进行滤波。其中，测量获得高速测量条件下测量加速度子集的 滤波上限为滤波下限为在中速测 量条件下测量加速度子集的滤波上限为滤波下限为在低速测量条件下测量加速度子集的滤波上限 为滤波下限为按 上述操作获得：附图4-I方向运动轴在三种速度下于n方向的滤波测量加速度子 集分布。

第四步，数据融合与直线度计算

采用离散点的时域积分法对滤波测量加速度子集进行二重积分，并将 得到的低速、中速高速测量条件下测量位移子集中各元素相加获得：

附图5-低速、中速高速测量条件下于n方向测量位移子集分布与附图6-n 方向测量位移总集分布。通过端点连线法获得1#传感器测量方向的直线度为 2.65μm。

本发明所述的机床直线运动轴几何精度快速检测方法，它通过加速度传感 器测量直线运动轴匀速运动时垂于运动方向的加速度，通过二次积分得到直线 运动轴的变形，进而计算得到直线运动轴的直线度，为数控机床几何精度快速 检测提供了可能性。

以上所述一种数控机床装配变形检测与评估方法仅本发明的较佳方法，故 凡依本发明专利申请范围所述的特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括本 发明专利申请范围内。

Claims (1)

1.一种数控机床直线运动轴几何精度快速检测方法，采用加速度传感器测量直线运动轴匀速运动时垂于运动方向的加速度，通过二次积分得到直线运动轴的变形，进而计算得到直线运动轴的直线度；首先，将测量装置安装于直线运动轴上，并随着直线运动轴以三种不同速度匀速运动，数据采集卡自动进行多通道采集和存储运动测点加速度数据；然后，基于相同几何误差信号可分解为不同频率分量，对不同速度下加速度数据进行滤波；最后，对滤波后的各加速度数据时域二次积分得到位移数据，并对三种速度下的位移数据进行数据叠加，完成直线运动轴变形计算；通过端点连线法计算直线运动轴的直线度，完成机床直线运动轴的直线度快速测量；

其特征在于，具体步骤如下：

第一步，组装数控机床直线运动轴几何精度快速测量装置

采用2个单轴加速度传感器：1^#单轴加速度传感器1和2^#单轴加速度传感器2组成的两向加速度传感器组；保证1^#单轴加速度传感器1测量方向为n方向，2^#单轴加速度传感器2测量方向为t方向，两个单轴加速度传感器分别通过螺母固定在检测盒3中；设定方向I为直线运动轴方向，检测盒3通过侧边法兰安装在数控机床直线运动轴4上，完成测量装置与数控机床直线运动轴的装夹；

第二步，直线运动轴几何精度快速测量

将测量装置沿方向I以高速中速低速分别从直线运动轴的一侧匀速运动到另一侧，同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及输出数字信号数据；其中运动速度为：

其中，为I方向直线运动轴的最大进给速度；三种速度对应的采样频率分别为：

其中，为高速运动下传感器的采样频率，为中速运动下传感器的采样频率，为低速运动下传感器的采样频率；

测量获得I方向直线运动轴在三种速度下的测量加速度子集k为单轴加速度传感器标号，val为测量速度，为k^#单轴加速度传感器在测量速度val条件下、于I方向的直线运动轴第i测点输出信号，r为直线轴运动轨迹内的测点数，为k^#单轴加速度传感器在测量速度为val条件下、于I方向的直线运动轴第i测点的测量时间；

其中，为高速运动下第i测点的测量时间，为中速运动下第i测点的测量时间，为低速运动下第i测点的测量时间；

第三步，基于空间频率连续条件的滤波

首先，分别对获得的I方向的直线运动轴在高速中速低速测量条件下的测量加速度子集与进行滤波，在高速、中速和低速的测量速度val条件下，滤波上限频率与下限频率为

其中，为高速运动下滤波上限频率，为高速运动下滤波下限频率；为中速运动下滤波上限频率，为中速运动下滤波下限频率；为低速运动下滤波上限频率，为低速运动下滤波下限频率；

按上述操作，得到滤波测量加速度子集其中，滤波信号为k^#单轴加速度传感器在测量速度val条件下、于I方向运动轴第i测点滤波后的信号；

第四步，数据融合与直线度计算

采用时域积分法对滤波测量加速度子集积分，得到测量速度子集其中

其中，为第i测点的测量速度，为第i+1测点滤波后的信号，为第m测点滤波后的信号，为第1测点滤波后的信号，为测量速度val条件下滤波频率；

采用时域积分法对测量速度子集进行积分，得到测量位移子集其中

其中，为第i测点的测量位移，第i+1测点的测量速度，为第i测点的测量速度，为第1测点的测量速度；

为i测点沿I方向的测量距离，

其中，高速运动下传感器的采样频率，为I方向直线运动轴的最大进给速度；

将低速、中速和高速测量条件下测量得到的测量位移子集中各元素相加，完成数据融合，得到

元素的集合为测量位移总集，

其中，为低速、中速和高速测量条件下的测量位移之和，为低速测量条件下的测量位移，为中速测量条件下的测量位移，为高速测量条件下的测量位移；

最后，计算沿k^#单轴加速度传感器测量方向的直线度；直线度计算采用端点连线法，方法如下：

测量位移总集各元素到端点连线的距离集合为

其中 为第i测点的测量位移之和，为第1测点的测量位移之和，为第r测点的测量位移之和；中，最大值为Δb_max，最小值为Δb_min；则直线度f为：

①当Δb_min×Δb_max≤0时，

f＝Δb_max-Δb_min

②当Δb_min≥0且Δb_max≥0时，

f＝Δb_max

③当Δb_min≤0且Δb_max≤0时，

f＝-Δb_min。