CN110186397A - 一种导轨平行度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导轨制造精度控制领域，并具体公开了一种导轨平行度测量装置及方法，其在两导轨副之间或导轨副一侧添加辅助测量点，通过辅助测量点与导轨上设定测量点，使测量点满足米字型布点条件，利用位姿测头分别测量导轨和辅助测量点构成的各个测量点，测量米字型布点的某测量截面上各个测量点时空间直线基准发生器位置保持不变，测得同一设定直线上的测量点的数据；然后对米字型布点的每个直线上所有设定测量点数据进行归一化处理，统一到同一基准平面后提取出导轨数据，进而进行数据评估可得出被测导轨的平行度。本发明具有简单快速、测量精度高、低成本等优点。

Description

一种导轨平行度测量装置及方法

技术领域

本发明属于导轨制造精度控制领域，更具体地，涉及一种导轨平行度测量装置及方法。

背景技术

随着生产及加工的需要，机床不断的向高精度和大型化方向发展，作为对机床性能有着重要影响的导轨平行度指标，一直备受机床生产厂家的关注，但却始终没有一个比较好的测量方法，特别是当导轨副之间的跨度比较大时更是如此。

目前导轨平行度测量方法主要有：利用自准直仪进行测量，这种测量方法对于导轨副之间的跨度比较大时误差较大；采用机械辅助装置和千分表等量表来进行测量的机械测量法，这种方法效率低，测量精度低，且容易受测量人员技术水平等因素的影响；此外还有双光束测量法，即利用双频激光多普勒干涉仪进行测量，其不需要干涉镜，具有结构简单，对准容易的特点，但该方法使用两束激光完成测量，其中一束激光用于测量镜组在导轨方向的位移，另一束用于测量导轨的两承载面之间的距离变化(平行度)，该方法测量精度高，激光头不动，只有光学镜片移动，可以同时测量线性位置和两导轨平行度的偏差，但是该设备比较昂贵。

因此，需研究设计一种新的导轨平行度测量装置及方法，以实现导轨平行度的简单、快速、高精度、低成本测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种导轨平行度测量装置及方法，其通过添加与导轨测量点满足米字型布点条件的辅助测量点，并测量获得辅助测量点及导轨测量点的数据实现导轨平行度的测量，具有简单快速、测量精度高、低成本等优点，同时由于直线基准光束有效光程可达60米左右，可对长导轨进行平行度的测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种导轨平行度测量装置，其包括空间直线基准发生器、位姿测头和数据采集处理单元，其中：

所述空间直线基准发生器用于发射直线基准光束，以作为整个测量过程中的空间直线基准；

所述位姿测头包括机架、安装在机架上的底座以及设于底座底面的前支撑杆，该机架内沿直线基准光束入射方向的前后设有光敏面相互平行的前图像传感器和后图像传感器，该机架靠近后图像传感器的一侧安装有倾角传感器，所述前图像传感器和后图像传感器用于采集测量点处直线基准光束截面的图像数据，并将采集的图像数据传输至数据采集处理单元中，所述倾角传感器用于测量位姿测头的倾角；所述测量点包括待测导轨两导轨副上的基础测量点以及设于两导轨副之间或设于导轨副外侧的辅助测量点，且基础测量点与辅助测量点为米字型布点，若米字型布点不能覆盖整个导轨，则在两导轨副位于米字型之外的部分还布置有附加测量点；

所述数据采集处理单元用于接收前图像传感器和后图像传感器采集的图像数据以及倾角传感器测量的倾角，并基于图像数据与倾角进行数据处理以获得待测导轨的平行度。

作为进一步优选的，所述前支撑杆位于底座前端的中点处，该底座的后端还设置有两根后支撑杆。

作为进一步优选的，辅助测量点设于两导轨副之间时，其位于两导轨副的中间；辅助测量点设于导轨副外侧时，其与相邻导轨副间的距离等于两导轨副间的距离。

按照本发明的另一方面，提供了一种导轨平行度测量方法，其采用所述装置进行测量，包括如下步骤：

S1在被测导轨的两导轨副上设计基础测量点，并在两导轨副之间或导轨副的一侧添加辅助测量点，利用基础测量点和辅助测量点进行米字型布点，该米字型覆盖整个导轨或覆盖导轨的一部分，例如覆盖导轨副的一端或者中部，若米字不能覆盖整个导轨，则在两导轨副位于米字之外的部分布置附加测量点，使布点长度与导轨长度相当；

S2利用位姿测头分别测量米字型布点各直线上的基础测量点、米字型之外导轨副上的附加测量点以及辅助测量点的数据，测量同一直线时空间直线基准发生器位置保持不变；

S3利用数据采集处理单元对数据进行归一化处理，以利用平面度的米字处理算法将导轨副上的基础测量点数据统一至同一基准平面上，并将各个测量截面的导轨副上的附加测量点数据也统一至同一基准平面上，提取出统一至同一基准平面上两导轨副的数据，基于两导轨副的数据进行垂直于两导轨副的设定平面的平行度评估即可得出被测导轨垂直于设定平面的平行度，其中设定平面是指导轨副承载平面的理论平面。

作为进一步优选的，步骤S2包括如下子步骤：

S21空间直线基准发生器置于米字型布点的直线延长线的一端，位姿测头置于米字型布点直线上的对应测量点处，并使前支撑杆直接接触被测测量点；

S22调整空间直线基准发生器使空间直线基准发生器产生的直线基准光束近似平行导轨副的设定平面，近似平行指的是直线基准光束与导轨副的设定平面之间的平行度误差控制在预设的平行度误差控制限dY内；

S23空间直线基准发生器保持不动，位姿测头沿直线基准光束发射方向移动，以利用前图像传感器、后图像传感器及倾角传感器测得各测量点处的图像数据及倾角。

作为进一步优选的，步骤S3中利用数据采集处理单元对数据进行归一化处理以将数据统一至同一基准平面上，具体为：

首先，根据前图像传感器、后图像传感器及倾角传感器测得的数据提取出测量点到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i：

其中，h，j，k为前支撑杆与测量点接触的一端的端点在位姿测头坐标系中的坐标值，其为已知参数，B为变换矩阵：

其中，θ_i为第i个测量点处倾角传感器测得的角度，αⁱ和βⁱ分别为第i 测量点处平行度测量装置的俯仰角和摆角；

然后，将各测量点到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i统一至同一基准平面上，以此完成数据的归一化处理。

作为进一步优选的，位姿测头的俯仰角αⁱ和摆角βⁱ采用如下公式计算：

其中，为第i测量点处前图像传感器和后图像传感器测得的直线基准光束中心在位姿测头坐标系中的坐标。

作为进一步优选的，采用如下公式对和进行修正：

其中，j为1、2。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的平行度测量装置的光学测量结构通过机架将两个图像传感器和倾角传感器连接为一整体，其利用直线基准光束及其轴线作为空间直线基准，可以探测获得自身对直线基准光束及其截面光斑中心二维的相对位置，利用底座的支撑杆与测量点直接接触，可准确的测量出被测测量点的数据信息。

2.本发明的数据获取方法是通过前图像传感器和后图像传感器获得其在位姿测头坐标系中的坐标获取俯仰角和摆角，进而通过转换以获得测量点在测量坐标系中的坐标，也即变换到以直线基准光束为空间直线基准的空间基准面中，以此将各测量点的数据转换到同一坐标系中，使各个测量点的测量数据统一。

3.本发明的导轨平行度测量方法通过直线基准光束作为基准，不需要添加桥板之类的辅助设备，减小了由于辅助设备引起的误差，所以导轨副之间的宽度的大小对测量结果影响较小，可以对导轨副间距较大的导轨平行度进行测量；直线基准光束有效光程可达60米左右，可对长导轨进行平行度测量，且获得的导轨平行度精确度较高。

附图说明

图1为本发明的利用平行度测量装置测量导轨平行度的测量示意图；

图2为本发明的平行度测量装置的位姿测头示意图；

图3为本发明的平行度测量装置的底座的底面的结构示意图；

图4为本发明的平行度测量装置的位置姿态参量定义示意图；

图5为本发明的在两导轨副之间添加辅助测量点的示意图；

图6为本发明的在导轨副一侧添加辅助测量点的示意图。

所有附图中，同一个附图标记表示相同的结构与零件，其中：1-空间直线基准发生器、2-位姿测头、3-导轨副、4-标尺、5-直线基准光束、6-前图像传感器、7-后图像传感器、8-机架、9-底座、10-数据采集处理单元、11- 倾角传感器、12-前支撑杆、13-后支撑杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种导轨平行度测量装置，其包括空间直线基准发生器1、位姿测头2和数据采集处理单元10，其中，空间直线基准发生器1用于发射直线基准光束5；位姿测头2用于采集测量点处直线基准光束截面的图像数据，并通过设置倾角传感器11以测量位姿测头2的倾角；数据采集处理单元10用于接收图像数据及倾角数据，并进行数据处理以获得待测导轨的平行度。通过上述各个部件的相互配合，可实现导轨平行度的有效测量，具有操作简单方便、测量精度高等优点。

如图2所示，位姿测头2包括机架8、安装在机架8上的底座9以及设于底座9底面的前支撑杆12，该机架8内沿直线基准光束5入射方向的前后设有光敏面相互平行的前图像传感器6和后图像传感器7，该机架8在靠近后图像传感器7的一侧安装有倾角传感器11，倾角传感器11的测量轴线与前图像传感器6和后图像传感器7的光敏面垂直，前图像传感器6和后图像传感器7用于采集测量点处直线基准光束截面的图像数据(即直线基准光束入射至前图像传感器和后图像传感器，前图像传感器和后图像传感器拍摄光束图像)，并将采集的图像数据传输至数据采集处理单元10中，倾角传感器11用于测量位姿测头2的倾角，并将倾角数据传输至数据采集处理单元10中，前图像传感器和后图像传感器在同一时间曝光，并且一次性输出，同步取像。其中，测量点包括待测导轨两导轨副上的基础测量点以及设于两导轨副之间或设于导轨副外侧的辅助测量点，且基础测量点与辅助测量点为米字型布点。布置各测量点时，利用标尺4测量保证相邻测量点的距离。具体的，机架安装在底座上，安装时机架的轴线与底座底面平行，测量时前支撑杆与测量点接触，前后图像传感器采集直线基准光束截面的图像数据，再通过数据采集处理单元处理直线基准光束截面的位置信息，得出测量点的沿设定平面中法线方向位置数据信息。

如图2所示，数据采集处理单元10与前图像传感器6、后图像传感器 7和倾角传感器11电气连接，前图像传感器6和后图像传感器7探测到直线基准光束5及其截面光斑中心，从而获得位姿测头2相对直线基准光束的位置。图像传感器获得的数据通过数据采集处理单元相应的数学模型计算可以获得测量点的数据信息，对测量截面的各个测量点进行测量，获得全部测量点的测量数据，对测量数据进行数据处理就可得出导轨的平行度误差测量。

如图3所示，前支撑杆位于底座9底面前端的中点处，底座9底面的后端还设置有两根后支撑杆13，用于支撑与平衡底座，保证测量的稳定性和可靠性。

进一步的，空间直线基准发生器1可以是无衍射光束、准直光束或准直激光束的发生器，用于产生直线基准光束，直线基准光束可以是无衍射光束、准直光束或准直激光束。

通过上述导轨平行度测量装置可实现导轨平行度的有效测量，其测量的基本原理是：在被测导轨的两导轨副之间或导轨副一侧添加辅助测量点，采用设定平面内的米字型布点条件设定测量点；利用平行度测量装置分别测量导轨和辅助测量点构成的各个测量点，对测量数据进行数据归一化处理，统一到同一基准平面后提取出导轨数据，进而进行数据评估可得出被测导轨的平行度。

测试之前，对几个名词进行解释说明，被测对象：导轨由两个导轨副构成，每一导轨副具有一长条形的承载平面，理论上两导轨副的承载平面是彼此平行的，被测导轨的承载平面的理论平面定义为设定平面。被测导轨有一个设计轴线，一般来说两个长条形的承载平面理论上以此设计轴线对称。

利用本发明的导轨平行度测量装置测量导轨的平行度，具体包括如下步骤：

S1在被测导轨的两导轨副上设计基础测量点，基础测量点的布点长度与导轨长度相当，并在两导轨副之间或导轨副的一侧添加辅助测量点，利用基础测量点和辅助测量点进行米字型布点，辅助测量点的高度与被测导轨的高度应大致相同，在测量导轨平行度中添加辅助测量点时，若导轨副之间的距离较大，则可将辅助测量点放置于导轨副之间，如图5所示；若导轨副的距离较小时，可将辅助测量点添加到导轨的一侧，如图6所示，具体可根据实际情况进行辅助测量点的添加。在导轨上进行布点时，所布测量点越多，则测量精度也越高，布点长度与导轨长度相当，但构建的米字型的长度与导轨长度相当或不相当，当相当时，利用两导轨副上的所有基础测量点结合辅助测量点形成米字型布点以覆盖整个导轨。当不相当时，其利用两导轨副上的基础测量点结合辅助测量点形成米字型布点，该米字型覆盖导轨的一部分，例如导轨的端部(如图5、图6所示)或导轨的中部等，具体可以根据实际需要进行布点，同时在米字型之外两导轨副上布附加测量点；

S2利用位姿测头2分别测量米字型布点各直线上的基础测量点和辅助测量点以及米字型之外两导轨副上的附加测量点的数据，测量同一直线时空间直线基准发生器1位置保持不变，同一测量直线测量得到的数据在同一坐标基面上；

步骤S2具体包括如下子步骤：

S21空间直线基准发生器1置于米字型布点的某条直线延长线的一端，位姿测头2置于米字型布点直线上的对应测量点处，并使前支撑杆直接接触被测测量点；

S22调整空间直线基准发生器1使空间直线基准发生器产生的直线基准光束近似平行导轨副的设定平面，并使前图像传感器的光敏平面垂直于直线基准光束的轴线，同时通过前图像传感器的光敏平面中心附近1mm以内就确定了平行直线基准光束的轴线，其中，设定平面指导轨副承载平面的理论平面，空间直线基准发生器产生的直线基准光束作为空间直线基准，使空间直线基准基本平行设定平面，优选的，平行度误差控制限dY可以设为1mm，或在1mm以内；

S23空间直线基准发生器1保持不动，位姿测头2的底座前支撑杆直接接触被测测量点，测量完一点后，位姿测头2沿直线基准光束发射方向(即位姿测头的轴线)移动，利用前图像传感器和后图像传感器测得各测量点处直线基准光束截面的图像数据(即前图像传感器和后图像传感器接收直线基准光束透射和反射光信息以获得图像)，利用倾角传感器测得各测量点处位姿测头的倾角；

S3利用数据采集处理单元10对图像及倾角数据进行归一化处理，统一到同一基准平面后提取出导轨副截面上各测量点的数据，进而进行数据评估可得出被测导轨的平行度，具体是通过数据采集处理单元计算出被测测量点在设定平面法线方向的位置信息，由于测量时空间直线基准发生器1 位置不变，所以测量时的平面基准保持不变，由此可将同一直线上的每个测量点的位置信息统一到基于设定平面的测量坐标系中，方便对测量点数据进行统一化处理。利用平面度的米字处理算法将导轨副上的基础测量点数据统一至同一基准平面上，并将各个测量截面的导轨副上的附加测量点数据也统一至同一基准平面上，提取两导轨副上的统一到同一基准平面的各测量点的数据，通过有关评估算法评估导轨平行度。具体的，基于两导轨副的数据进行垂直于两导轨副的设定平面的平行度评估得出被测导轨垂直于设定平面的平行度(即导轨在垂直于设定平面方向上的变动)，其中设定平面是指导轨副承载平面的理论平面

如图4所示，对数据进行归一化处理之前先定义坐标系，包括测量坐标系和位姿测头坐标系，其中，测量坐标系：以直线基准光束为空间直线基准的坐标系，用下标c表示，以直线基准光束基准光轴与前支撑杆前端 (指前支撑杆与测量点接触的一端)的交点为测量坐标系的原点Oc，沿直线基准光束的方向为Zc轴正方向，Xc轴平行于水平面，Xc正方向与位姿测头坐标系Xwz正方向相同，由右手定则确定Yc轴正方向。位姿测头坐标系：以位姿测头2的机架结构轴线为Z轴建立的坐标系，并用下标wz表示。图4中OcZc轴表示直线基准光束，O₁点表示图1中前图像传感器6光敏面中心，O₂表示位姿测头2的轴线与图1中后图像传感器7光敏面的交点，A1、 A2点表示直线基准光束轴线与前图像传感器6和后图像传感器7光敏面的交点。测量时，前图像传感器和后图像传感器获取测量点的图像数据，通过分析前图像传感器和后图像传感获取的图像数据即可获得前图像传感器和后图像传感器拍摄的前、后直线基准光束中心在位姿测头坐标系中的坐标和即图4中A₁、A₂在位姿测头坐标系中的坐标，其中，为两个图像传感器的光学行程间距，具体如何通过图像数据获取对应的坐标，其为图像处理的常规技术，在此不赘述。

对数据进行归一化处理具体为：

1)根据前图像传感器、后图像传感器及倾角传感器测得的数据提取出测量点到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i(即坐标值Y_i作为数据测量输出量)：

1.1)计算被测对象对空间直线基准两个方向的相对倾角：

将和带入到公式和公式得到α与β，其中，α和β分别为平行度测量装置的俯仰角和摆角，即为位姿测头2与空间直线基准的相对倾角。

为了进一步提高测量精度，可将获得的α和β带入公式中以进行修正，得到修正之后的坐标

1.2)计算被测测量点在测量坐标系中的位置信息：

在不同测量点时，由于位姿测头在移动，而空间直线基准发生器保持不变，所以不同测量点的光轴坐标系的Z轴保持不变，测头坐标系的X轴的角度变化量通过倾角传感器测量获得，θ_i为第i个测量点处倾角传感器的角度读数，通过下式将各测量点的数据转换到测量坐标系中，使各个测量点的测量数据得到统一：

其中，(X_i,Y_i,Z_i)为测量点i在测量坐标系中的坐标值，h，j，k为前支撑杆与测量点接触的一端的端点在位姿测头坐标系中的坐标值，其为已知参数，B为变换矩阵：

其中,θ_i为第i个测量点处倾角传感器测得的角度，αⁱ和βⁱ分别为第i 测量点处平行度测量装置的俯仰角和摆角；

2)将各测量点到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i统一至同一坐标基面上，以此完成数据的归一化处理，具体的可采用平面度的米字处理算法将诸多点统一至同一坐标基面上，上述处理算法为较常规算法，将在下面的实施例中具体说明。

以下为具体实施例：

1)在导轨内侧添加辅助测量点

如图5所示，导轨副之间的间距为L，辅助测量点布置在导轨之间，辅助测量点与导轨副的距离为

如图6所示，辅助测量点布置在导轨外侧，辅助测量点与导轨副的距离为L，通过长度标尺确定辅助测量点具体安放位置；

2)在导轨副上进行合理的测量点布置

在导轨上进行划线布点，与辅助测量点构成的米字型可根据实际情况选择合适长度，若米字不能覆盖整个导轨，则在米字之外延长导轨上布置附加测量点，使布点长度与导轨长度相当。根据导轨副之间的距离大小通过计算后取合理的布点间距，布点采用米字型布点，即导轨副上的测量点与辅助测量点需满足设定平面内的米字型布点条件，添加的辅助测量点为米字布点的中心点，如图5所示，辅助测量点C2为米字布点的中心点；或者位于一导轨副和辅助测量点之间的另一导轨副上的测量点为米字布点的中心点，如图6所示，B_n+1为米字布点的中心点，C1、C3为辅助测量点；

3)对每个测量截面进行测量

将无衍射光发生器放置于测量截面的一端，在截面上各个测量点测量完成前保持无衍射光发生器的位置不变，位姿测头2放置于测量截面的测量点处，无衍射光发生器发射的无衍射光射向位姿测头2；从截面的第一个点开始对测量截面进行测量，依次对测量截面的各个测量点进行测量，前图像传感器6和后图像传感器7接收光信息，通过数据采集处理单元记录得到各个测量点的测量数据，测量数据为测量点到测量坐标系的X_cOZ_c面的距离，即Y_i；

4)对各测量截面的测量数据进行数据处理将其统一至同一坐标基面上

如图5布点所示，在导轨上进行布点，辅助测量点C2布置在两导轨副之间，两导轨副上的基础测量点分别为A₁～A_2n+1和B₁～B_2n+1，利用基础测量点 A₁～A_2n+1和B₁～B_2n+1与辅助测量点构成米字型布点，由于米字型未覆盖整个导轨，如图5所示，覆盖了导轨的端部，因此在两导轨副位于米字型之外的部分继续布点，即布置A_2n+2及之后的附加测量点、B_2n+2及之后的附加测量点，同一导轨副上基础测量点和附加测量点的布点长度与该导轨副的长度相当，需要测量的截面(即米字型上的直线)为：A₁B_2n+1、A₁A_2n+1、B₁A_2n+1、B₁B_2n+1四个截面,其中n值根据实际情况选择合理值。测量每个截面测量点并通过数据采集处理单元记录数据，如测量截面A₁A_2n+1，记录数据为a₁、a₂、a₃、...a_2n+1 (该数据分别为测量点A₁～A_2n+1到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i)；再将数据以点A₁、A_2n+1连线为基准“0”线，得出各点a₁、a₂、a₃、...a_2n+1对于A₁A_2n+1连线的偏差值为0，δ_a2、δ_a3、...δ_a2n、0；对于测量截面B₁B_2n+1，其截面上各测量点对于B₁B_2n+1连线的偏差值为0，δ_b2、δ_b3、...δ_b2n、0；对于测量截面A₁B_2n+1，测量点C2相对于基准“0”线A₁B_2n+1的距离值为l_ab，对于测量截面B₁A_2n+1，测量点C2相对于基准“0”线B₁A_2n+1的距离值为l_ba；用同种方法处理其他各测量截面的测量数据，得到各个截面的测量点相对于各截面的基准“0”线的距离值；

以通过直线A₁B_2n+1且与直线B₁A_2n+1平行的平面作为统一坐标“0”基准平面，设此平面为M₀；对于A₁B_2n+1截面，直线A₁B_2n+1通过M₀平面，则A₁B_2n+1测量截面上的测量点C2相对于A₁B_2n+1连线的偏差l_ab即为相对于M₀平面的偏差值；对于B₁A_2n+1截面，已知B₁A_2n+1连线平行于M₀平面，故可知点A_2n+1、B₁到 M₀平面等距，C2点为被测平面上的同一个点，则点A_2n+1、B₁到M₀平面的偏差值可用公式h_a2n+1＝h_b1＝l_ab-l_ba求得；对于A₁A_2n+1截面，点A₁在平面M₀上，故h_a1＝0，且h_a2n+1＝l_ab-l_ba，截面上其他点对于M₀平面的偏差值由公式求得，导轨米字型延长线上的测量点对于M₀平面的偏差值由公式求得；同理，对于B₁B_2n+1截面，h_b2n+1＝0， h_b1＝l_ab-l_ba，截面上各点对于M₀平面的偏差值由公式求得，导轨米字型延长线上的测量点对于M₀平面的偏差值由公式求得，由此将两导轨副上各测量点的测量数据统一到同一坐标基面M₀上。提取两导轨副上各测量点统一到坐标基面M₀后的数据(即提取两导轨副上各测量点到坐标基面M₀的偏差值)，然后通过常用的拟合方法譬如最小二乘法等即可根据两导轨副的数据拟合出两条相应的直线，再通过相关评估方法即可得到导轨的平行度，通过数据点具体如何拟合出直线以及通过两条直线如何获得平行度均是本领域的常规技术，在此不赘述，任何可实现上述目的的方法均适用。

如图6布点所示，在导轨上进行布点，辅助测量点C1和C3布置在导轨副的外侧，两导轨副上的基础测量点分别为A₁～A_2n+1和B₁～B_2n+1，利用基础测量点A₁～A_2n+1和B₁～B_2n+1与辅助测量点构成米字型布点，由于米字型未覆盖整个导轨，如图6所示，覆盖了导轨的端部，因此在两导轨副位于米字型之外的部分继续布点，即布置A_2n+2及之后的附加测量点、B_2n+2及之后的附加测量点，同一导轨副上基础测量点和附加测量点的布点长度与该导轨副的长度相当，需要测量的截面(即米字型上的直线)为：A₁C₃、A₁A_2n+1、C₁A_2n+1、 B₁B_2n+1、A₁C₁、A_2n+1C₃六个截面。测量每个截面测量点并通过数据采集处理单元记录数据，如测量截面A₁A_2n+1，记录数据为a₁、a₂、a₃、...a_2n+1(该数据具体为测量点到测量坐标系的X_cOZ_c面的距离Y_i)，再将数据以点A₁、A_2n+1连线为基准“0”线，得出其他各点对于A₁A_2n+1连线的偏差值为0，δ_a2、δ_a3、...δ_a2n、0；对于测量截面B₁B_2n+1，其截面上各测量点对于B₁B_2n+1连线的偏差值为 0，δ_b2、δ_b3、...δ_b2n、0；在A₁C₁截面上各测量点对于连线A₁C₁的偏差值为0、δ_b′₁、 0；在A_2n+1C₃截面上各测量点对于连线A_2n+1C₃的偏差值为0、δ_b′_2n+1、0；测量测量点B_n+1相对于基准“0”线A₁C₃的距离值为l_ac，测量测量点B_n+1相对于基准“0”线C₁A_2n+1的距离值为l_ca；

以通过直线A₁C₃且与直线C₁A_2n+1平行的平面作为统一坐标“0”基准平面，设此平面为M₁；对于A₁C₃截面，直线A₁C₃通过M₁平面，则测量点B_n+1相对于A₁C₃连线的偏差l_ac即为相对于M₁平面的偏差值；对于C₁A_2n+1截面，已知 C₁A_2n+1连线平行于M₁平面，故可知点A_2n+1、C₁到M₁平面等距，B_n+1点为被测平面上的同一个点，则点A_2n+1、C₁到M₁平面的偏差值可用公式h_a2n+1＝h_c1＝l_ac-l_ca求得；对于A₁A_2n+1截面，h_a1＝0，h_a2n+1＝l_ac-l_ca，截面上其他各点对于M₁平面的偏差值由公式求得，导轨米字型延长线上的测量点对于M₁平面的偏差值由公式求得；对于A₁C₁截面，h_a1＝0， h_c1＝l_ac-l_ca，点B₁到M₁平面的偏差值用公式求取；对于A_2n+1C₃截面， h_c3＝0，h_a2n+1＝l_ac-l_ca，则点B_2n+1到M₁平面的偏差值为对于 B₁B_2n+1截面，截面上其他测量点对于M₁平面的偏差值由公式求得，导轨米字型延长线上的测量点对于M₁平面的偏差值由公式求得，由此可将两导轨副上各测量点的测量数据统一到同一坐标基面M₁上，提取两导轨副上各测量点统一到坐标基面M₁后的数据(即提取两导轨副上各测量点到坐标基面M₁的偏差值)，然后通过常用的拟合方法譬如最小二乘法等即可根据两导轨副上各测量点的数据拟合出两条相应的直线，再通过相关评估方法即可得到导轨的平行度，通过数据点具体如何拟合出直线以及通过两条直线如何获得平行度均是本领域的常规技术，在此不赘述，任何可实现上述目的的方法均适用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种导轨平行度测量装置，其特征在于，包括空间直线基准发生器(1)、位姿测头(2)和数据采集处理单元(10)，其中：

所述空间直线基准发生器(1)用于发射直线基准光束(5)，以作为整个测量过程中的空间直线基准；

所述位姿测头(2)包括机架(8)、安装在机架(8)上的底座(9)以及设于底座(9)底面的前支撑杆，该机架(8)内沿直线基准光束(5)入射方向的前后设有光敏面相互平行的前图像传感器(6)和后图像传感器(7)，该机架(8)靠近后图像传感器(7)的一侧安装有倾角传感器(11)，所述前图像传感器(6)和后图像传感器(7)用于采集测量点处直线基准光束截面的图像数据，并将采集的图像数据传输至数据采集处理单元(10)中，所述倾角传感器(11)用于测量位姿测头(2)的倾角；所述测量点包括待测导轨两导轨副上的基础测量点以及设于两导轨副之间或设于导轨副外侧的辅助测量点，且基础测量点与辅助测量点为米字型布点，若米字型布点不能覆盖整个导轨，则在两导轨副位于米字型之外的部分还布置有附加测量点；

所述数据采集处理单元(10)用于接收前图像传感器(6)和后图像传感器(7)采集的图像数据以及倾角传感器(11)测量的倾角，并基于图像数据与倾角进行数据处理以获得待测导轨的平行度。

2.如权利要求1所述的导轨平行度测量装置，其特征在于，所述前支撑杆位于底座(9)前端的中点处，该底座(9)的后端还设置有两根后支撑杆。

3.如权利要求1或2所述的导轨平行度测量装置，其特征在于，辅助测量点设于两导轨副之间时，其位于两导轨副的中间；辅助测量点设于导轨副外侧时，其与相邻导轨副间的距离等于两导轨副间的距离。

4.一种导轨平行度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的装置进行测量，包括如下步骤：

S1在被测导轨的两导轨副上设计基础测量点，并在两导轨副之间或导轨副的一侧添加辅助测量点，利用基础测量点和辅助测量点进行米字型布点，该米字型覆盖整个导轨或覆盖导轨的一部分，若所布米字型不能覆盖整个导轨，则在两导轨副位于米字型之外的部分布置附加测量点，使布点长度与导轨长度相当；

S2利用位姿测头(2)分别测量米字型布点各直线上的基础测量点、米字型之外导轨副上的附加测量点以及辅助测量点的数据，测量同一直线时空间直线基准发生器(1)位置保持不变；

S3利用数据采集处理单元(10)对数据进行归一化处理，以利用平面度的米字处理算法将导轨副上的基础测量点数据统一至同一基准平面上，并将两导轨副上的附加测量点数据也统一至同一基准平面上，提取出统一至同一基准平面上两导轨副的数据，基于两导轨副的数据进行平行度评估即可得出被测导轨的平行度。

5.如权利要求4所述的导轨平行度测量方法，其特征在于，步骤S2包括如下子步骤：

S21空间直线基准发生器(1)置于米字型布点的直线延长线的一端，位姿测头(2)置于米字型布点直线上的对应测量点处，并使前支撑杆直接接触被测测量点；

S22调整空间直线基准发生器(1)使空间直线基准发生器产生的直线基准光束近似平行导轨副的设定平面，其中设定平面指导轨副承载平面的理论平面；

S23空间直线基准发生器(1)保持不动，位姿测头(2)沿直线基准光束发射方向移动，以利用前图像传感器、后图像传感器及倾角传感器测得各测量点处的图像数据及倾角。

6.如权利要求4或5所述的导轨平行度测量方法，其特征在于，步骤S3中利用数据采集处理单元对数据进行归一化处理以将数据统一至同一基准平面上具体为：

首先，根据前图像传感器、后图像传感器及倾角传感器测得的数据提取出测量点到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i：

其中，h，j，k为前支撑杆与测量点接触的一端的端点在位姿测头坐标系中的坐标值，B为变换矩阵：

其中，θ_i为第i个测量点处倾角传感器测得的角度，αⁱ和βⁱ分别为第i测量点处平行度测量装置的俯仰角和摆角；

然后，将各测量点到测量坐标系X_cOZ_c面的距离Y_i统一至同一基准平面上，以此完成数据的归一化处理。

7.如权利要求6所述的导轨平行度测量方法，其特征在于，位姿测头的俯仰角αⁱ和摆角βⁱ采用如下公式计算：

其中，为第i测量点处前图像传感器和后图像传感器测得的直线基准光束中心在位姿测头坐标系中的坐标。

8.如权利要求7所述的导轨平行度测量方法，其特征在于，采用如下公式对和进行修正：

其中，j为1、2。