CN109141329B - 一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法，系统初始化，使得丝杆轴方向与系统X轴平行，测头轴与Y轴平行；电机带动测头往Y轴正方向移动，直到测头触碰到滚珠丝杆的表面触发信号后停止Y方向运动；测头沿着X正方向移动，经过圆弧倒角时，记录该状态变化时的坐标，计算倒角起始位置作为参考坐标；测头继续向X轴运动一段距离后，直到触碰圆弧，记录当前坐标，重复，取得圆弧采样点；利用滚珠丝杆数学模型计算是否干涉，并获得法矢方向从而对圆弧采样点进行半径补偿，得到真实测量位置，对测量坐标进行轴转法计算，间接得法坐标，圆拟合，求与直线交点得中径点坐标；将测头移至下滚道，重复，得各滚道的中径点坐标，拟合中径线得中径值。

Description

一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法

技术领域

本发明涉及高精度滚珠丝杆加工，尤其是涉及一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法。

背景技术

滚珠丝杆是现代机械工业的基础零件，特别是对于工业之母——机床的精确定位是不可或缺的，其精度直接决定了加工产品的精度，所以对滚珠丝杆的制造精度检测是必需的，但由于目前的质量检验技术一般用于线下检测，无法满足对滚珠丝杆的在线测量。业内使用的方法有测针接触法、投影检查法等方法。前者使用专门的轮廓仪，将轮廓仪的测针放置在滚珠丝杆的轴向截面上，然后带动测针在工件表面上移动，将轴向截面的轮廓数据记录到计算机上，通过数据处理获得所需廓形参数；后者使用线下投影的方法，将丝杆的廓形放大数十倍到一个板上，在该板上放置画有误差限轮廓的半透明纸张，用来检查滚珠丝杆廓形是否合格。这些方法不仅费时费力，而且只能分别得到该工件的廓形或缝隙是否合格的评价，无法对其中径参数进行定量分析，进而对目前加工过程产生的问题进行分析及指导；滚珠丝杆的主要技术参数为导程、螺旋升角、珠心距、接触角、圆弧类型等，其中导程与丝杆精度直接相关，珠心距需要与滚珠丝杆副匹配，否则直接影响使用寿命，所以都是需要不断优化加工的参数，测量后定量的数值对于这些参数的分析具有重大意义。

中国专利CN103182680A公开一种滚珠丝杆磨削的动态在线测量装置及方法。该装置包括磨床、测量平台、测量平台纵向直线导轨、高精度直线光栅位移传感器和圆光栅角位移传感器、测量工作架、测量工作架横向直线导轨、测量工作架横向移动驱动手轮、测量工作架横向移动丝杆副、测量工作架横向运动锁紧螺母以及测头。该方法利用丝杆转动经由测头带动测量平台纵向运动，通过纵向直线光栅位移传感器及与主轴同步旋转的圆光栅角位移传感器返回位移和转角数据。测量起始与终止时刻，记录转角数据α′₀和α′及位移数据Z′₀和Z′，将数据代入公式，得到滚珠丝杆的螺距误差

T为丝杆导程。本发明实现了滚珠丝杆螺距误差的动态在线检测,保障了滚珠丝杆螺距的加工精度和效率。

发明内容

本发明需解决的技术问题是提供一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法。

本发明包括以下步骤：

1)系统初始化，使得丝杆轴方向与系统X轴平行，测头轴与Y轴平行；

在步骤1)中，所述系统初始化的具体方法可包括一维触发式测头测头的安装、系统坐标系的定义、滚珠丝杆的安装等。

2)电机带动测头往Y轴正方向移动，直到测头触碰到滚珠丝杆的表面触发信号后停止Y方向运动，若没有触碰到外径表面，则进行判断及移动，直到触碰到外径表面；

3)测头沿着X正方向移动，经过圆弧倒角时，测头的伸缩量将发生变化，使得触发状态变换为未接触，记录该状态变化时的坐标，计算出倒角起始位置，作为系统参考坐标；

4)测头继续向X轴运动一段距离后，开始沿Y方向运动，直到触碰圆弧，记录当前坐标，重复本步骤，取得圆弧采样点；

5)利用滚珠丝杆数学模型计算是否干涉，并获得法矢方向从而对圆弧采样点进行半径补偿，得到真实测量位置，对测量坐标进行轴转法计算，间接得到法坐标；

6)对法坐标进行圆拟合，再求与直线交点，得到中径点坐标；

7)将测头移至下一个滚道，重复步骤2)～步骤6)，获得各滚道的中径点坐标，拟合中径线后，根据工件外径值，获得中径值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

本发明具有自动分析采集数据位置并获取中径、法轮廓半径的功能，相比传统方法仅能定性而无法定量的缺点，简化了误差分析的过程，并且不用将滚珠丝杆从加工机床上取下，能够实现在线测量。

附图说明

图1是本发明实施例的执行流程图。

图2是本发明实施例的系统运动关系图。

图3是本发明实施例的计算倒角初始位置示意图。

图4是本发明实施例的测头受干涉原理图。

图5是本发明实施例的测头和工件的理论与实际接触点示意图。

图6是本发明实施例的轴截面与法截面的示意图。在图6中，图(a)为法截形，图(b)为轴截形。

图7是本发明实施例的法截面滚道双圆弧拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

参见图1，一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法的具体步骤如下：

步骤1，按图2所示初始化测量坐标系，使得滚珠丝杆轴线与系统坐标轴xy确定的平面重合，且工件轴线与X轴平行，测头轴线与Y轴平行；

步骤2，测头球心初始化到图2的a点位置，然后沿Y轴方向平移，直到触碰丝杆触发接触状态，此时记录Y方向坐标为(b₁,b₂)，并停止Y方向位移。由于测头不一定刚好接触到丝杆外径表面上，因此需要进行判断：

如图3所示，已知滚道深度H、滚道半径r、滚道宽度L、丝杆外径d、丝杆轴线所在Y方向偏移值e、测头半径R、测头坐标(b₁,b₂)，则判断b₂是否等于e-d。若是，则进入步骤3；否则，计算X₀，且令测头往Y轴负方向移动r，然后往x轴负方向移动f+X₀，再次触碰丝杆表面，判断b₂是否等于e-d。若是，则进入步骤3；否则，测头往X负方向移动r，并向x正方向移动2R+2X₀距离，继续触碰丝杆表面，此时测头必定与丝杆外径表面触碰，其中X₀的计算为：

其中，

k＝H-b₂+e-d

步骤3，记测头所在位置为b点，并让测头以接触丝杆外径表面的状态沿着X正方向移动直到图2中c点位置,当测头经过圆弧倒角时，使得测头伸缩量发生变化，测头与倒角的接触点为如图4所示N点，接触状态将从接触变为未接触，记录下此时O₂坐标；

步骤4，如图4所示，M点为圆弧倒角起始位置坐标，以O₁所在位置向X轴负方向做射线，以O₂位置向Y轴负方向做射线，两条线交于点M；过N点做垂线到线段O₁M上，垂足为J，接下来计算M点位置，其过程为b点X坐标减去一个Δx，已知且设R为测头半径，r为倒角半径，h为测头触发行程，则Δx可由下式计算获得：

O₁O₂＝R+r

O₂M＝R+r-h

在ΔO₁O₂M中，

由三角形相似可知：

∴

步骤5，测头继续往X正方向移动，在右圆弧和左圆弧处各取3至6点测量，得到对应坐标；

步骤6，由于测头中心点与圆弧位置没有直接接触，而是通过具有一定半径的球体来接触，所以测量位置不一定在理想测量位置，需要利用已有丝杆数学模型对干涉位置进行补偿计算，最后得到测量接触点的实际位置坐标，如图5，其中半径补偿方法为：

在测量丝杆滚道轮廓时，测头的球心轨迹位于滚道螺旋面的等距曲线上，由等距曲线的特性可以得到，球心轨迹点与测量接触点共法矢，设球心轨迹点坐标为PQ(x_q，y_q，z_q)，螺旋滚道的单位法矢为e(x_e，y_e，z_e)，测头球半径为R，则接触点的坐标为PS(x_s，y，z_s):

由螺旋面的性质可知，滚珠丝杆滚道的测量接触点是一组空间点，并不在测量平面内，将测量接触点旋转投影到z＝0的平面，即可得到滚珠丝杆实际滚道轴型线，设滚珠丝杆实际滚道轴型线点的坐标为P(X,Y,0)：

其中：

θ＝±z_s/p

式中，p为螺旋参数，令丝杆导程为Pz，则p＝Pz/2π，正负号表示丝杆滚道的旋向，正号表右旋，负号表左旋。

步骤7，将半径补偿后的坐标代入轴转法的公式，从而间接获得法截面的坐标，轴截面与法截面的廓形如图6所示，坐标转换的过程为：

由于仅需获取法向截型测量点的相对位置关系，因此只讨论一个滚道的截面，设轴截平面恰好与yz平面重合，且轴截型的z坐标已减去该截型最深点所在的z偏置，得到关于y轴对称的轴截型；将原坐标系绕着y轴旋转一个螺旋升角，则新坐标系为o-x’y’z’，且y’z’平面为法截面。

已知(x₀,y₀,z₀)为轴截型曲线上的点，求对应法截型上的点(x₀',y₀',z₀')，关系如下：

其中，θ为参变数，p为螺旋参数，令z'＝0，三个变量三个未知数，解出(x₀',y₀',z₀')。

步骤8，使用最小二乘法拟合圆，利用法截面左圆弧3到6个测量点的坐标，获取过这些点的拟合圆心坐标C₀，以及半径大小R₀，右圆弧同理得C₁和R₁，如图7所示；

步骤9，如图7所示，过C₀点，作与y轴夹角为45°的直线，右圆弧同理，计算两直线交点，该点即为中径点D(d₁,d₂)，中径即为e-d₂。

Claims (2)

1.一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)系统初始化，使得丝杆轴方向与系统X轴平行，测头轴与Y轴平行；

2)电机带动测头往Y轴正方向移动，直到测头触碰到滚珠丝杆的表面触发信号后停止Y方向运动，若没有触碰到外径表面，则进行判断及移动，直到触碰到外径表面；

3)测头沿着X正方向移动，经过圆弧倒角时，测头的伸缩量将发生变化，使得触发状态变换为未接触，记录该状态变化时的坐标，计算出倒角起始位置，作为系统参考坐标；

4)测头继续向X轴运动一段距离后，开始沿Y方向运动，直到触碰圆弧，记录当前坐标，重复本步骤，取得圆弧采样点；

5)利用滚珠丝杆数学模型计算是否干涉，并获得法矢方向从而对圆弧采样点进行半径补偿，得到真实测量位置，对测量坐标进行轴转法计算，间接得到法坐标；

6)对法坐标进行圆拟合，再求与直线交点，得到中径点坐标；

7)将测头移至下一个滚道，重复步骤2)～步骤6)，获得各滚道的中径点坐标，拟合中径线后，根据工件外径值，获得中径值。

2.如权利要求1所述一种基于一维触发式测头的滚珠丝杆在线测量方法，其特征在于在步骤1)中，所述系统初始化的具体方法包括一维触发式测头测头的安装、系统坐标系的定义、滚珠丝杆的安装。

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