CN111055167B - 一种分度二连杆式球杆仪及其对机床精度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分度二连杆式球杆仪及其对机床精度的检测方法。现有二连式球杆仪测角范围有限或测角精度偏低。本发明的刚性连杆一端支承在与基座固定的支承轴上，另一端与分度式光电角度编码器的座体固定；分度式光电角度编码器的输出轴支承在刚性连杆上；伸缩杆的杆段一与杆段二之间设有直线位移传感器；杆段一套置在分度式光电角度编码器的输出轴上；分度式光电角度编码器的输出轴末端定位孔通过法兰盘与杆段一固定；连接轴支承在杆段二上。本发明通过两连杆的夹角变化来改变测量半径，且第二根连杆为伸缩杆，易于实现在二维平面内测量半径连续的全范围测量，且分度式光电角度编码器保证了高测量精度。

Description

一种分度二连杆式球杆仪及其对机床精度的检测方法

技术领域

本发明属于机床精度检测技术领域，具体涉及一种分度二连杆式球杆仪及其对机床精度的检测方法。

背景技术

球杆仪作为一种数控机床几何误差检测的仪器，从面世之初就被快速接受，并被广泛应用于实际检测工作。

常规球杆仪的机械结构采用一个测量杆连接两个高精度标准球，其工作范围取决于测量杆长度值。虽然球杆仪通常会配备几个增长杆，以增加其测量圆的半径值，但增长杆的使用也仅仅是增加了几个固定的测量圆的半径值，被测平面内还存在许多无法测量的点，且每次更换增长杆都需要将球杆仪拆下，然后重新标定，再重新安装检测，影响了球杆仪的检测效率。目前，针对这一问题日本学者发明了二连杆式球杆仪，其中两根连杆是通过普通的旋转关节相连并由旋转编码器测量两杆间的夹角。由于二连式球杆仪有较高的旋转定位精度要求，所以需要采用高精度测角器件来实现精密测角，常见的测角器件一般采用光电角度编码器。由于二连式球杆仪的球铰关节受到体积限制，仅能采用小尺寸的光电角度编码器，导致光电角度编码器的测角精度受限(通常高精度的光电角度编码器其体积较大)，因此，目前二连式球杆仪的球铰关节采用的角度编码器存在以下问题：若采用较高精度的角度编码器，其体积较大会影响球杆仪的检测，若采用小体积的角度编码器则测角精度偏低，另外，采用高精度角度编码器会造成装置的成本提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有球杆仪的不足，提供一种分度二连杆式球杆仪及其对机床精度的检测方法，其中第二根连杆为伸缩杆，该分度二连杆式球杆仪主要利用两根连杆实现球杆仪随着机床主轴的圆弧插补运动做二维平面范围内的圆周运动，同时采用分度式光电角度编码器提供高精度的角度，通过检测伸缩杆的长度变化来反映机床的误差，可以提高球杆仪测量精度和检测范围。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：

本发明一种分度二连杆式球杆仪，包括连接轴、轴承、伸缩杆、直线位移传感器、法兰盘、套筒、分度式光电角度编码器、刚性连杆和基座；所述刚性连杆的一端通过一个轴承支承在支承轴上，支承轴固定在基座上；所述分度式光电角度编码器的座体固定在刚性连杆的另一端；分度式光电角度编码器的输出轴通过一个轴承与刚性连杆连接；所述的伸缩杆包括构成滑动副的杆段一和杆段二，且杆段一与杆段二之间设有直线位移传感器；所述伸缩杆的杆段一套置在分度式光电角度编码器的输出轴上；分度式光电角度编码器的输出轴末端开设的定位孔与法兰盘固定，法兰盘与杆段一固定；所述的连接轴通过一个轴承支承在杆段二上。

优选地，轴承通过套筒和刚性连杆支承孔处的凸环实现相对支承轴的轴向定位。

优选地，分度式光电角度编码器的输出轴末端定位孔与法兰盘通过紧定螺钉连接。

优选地，法兰盘与杆段一通过紧固螺钉连接。

该分度二连杆式球杆仪对机床精度的检测方法，具体如下：

将基座固定在数控机床工作台上，将连接轴与数控机床主轴固定；打开分度式光电角度编码器，进行找零，零位为刚性连杆与伸缩杆的夹角为0°位置。打开直线位移传感器，在分度式光电角度编码器大于0°且小于180°的各个分度位置处分别对数控机床进行精度检测。每个分度位置处进行数控机床精度检测的过程具体为：将分度式光电角度编码器锁紧；数控机床主轴在二维平面内做圆弧插补运动，根据直线位移传感器检测到的伸缩杆长度变化量Δl，通过误差检测原理求解数控机床主轴的半径变化量ΔR和测量误差的放大倍数。

通过误差检测原理求解实际半径变化量ΔR和测量误差放大倍数的过程如下：

数控机床主轴的理论等效半径R为：

数控机床主轴的实际等效半径R'为：

机床主轴的半径变化量ΔR为：

测量误差的放大倍数为：

N＝Δl/ΔR

其中：

设定点O为支承轴轴心线与平面XOY的交点，平面XOY设定为伸缩杆的一个侧面，且平行于数控机床的工作台。点A为分度式光电角度编码器输出轴的轴心线与平面XOY的交点，点B为连接轴的轴心线与平面XOY的交点，即测量点；L₁＝|OA|为刚性连杆的长度，L₂＝|AB|为伸缩杆的初始长度；|OA|为点O与点A的距离，|AB|为点A与点B的距离；θ为刚性连杆与伸缩杆的夹角；则数控机床主轴与平面XOY的交点绕支承轴轴心线与平面XOY的交点做圆弧插补运动时理论等效半径为R＝|OB|，|OB|为点O与点B的距离；由于数控机床自身存在的误差使伸缩杆产生长度变化量Δl，则数控机床主轴的实际等效半径R'＝|OC|，|OC|为点O与测量点实际位置点C的距离。

优选地，伸缩杆的最大伸缩量为1mm。

优选地，数控机床主轴与平面XOY的交点绕支承轴轴心线与平面XOY的交点做圆弧插补运动的实际等效半径R'设定为：

Δ＜R'＜R_max

其中，Δ取值为小于10mm的正值；设定当θ＝180°时，理论等效半径取得最大值R_max＝L₁+L₂，此时伸缩杆的长度变化量Δl等于ΔR，N＝1。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过两连杆的夹角变化，来改变其测量半径，且第二根连杆为伸缩杆，相比于普通球杆仪，更易于实现仪器在二维平面内测量半径连续的全范围测量。

2.本发明采用分度式光电角度编码器测量两连杆轴线之间的夹角，可以在低成本的情况下保证较高的角度测量精度。

3.本发明所使用的测量方法提高了普通球杆仪的测量分辨率，可用于更高精度机床的检测。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明的整体结构立体图；

图3为本发明中分度式光电角度编码器的结构立体图；

图4为本发明中伸缩杆的结构立体图；

图5为本发明的测量原理图；

图6为本发明的数控机床测量误差放大倍数与刚性连杆和伸缩杆夹角的关系曲线图。

图中：1-连接轴，2-轴承，3-伸缩杆，4-直线位移传感器(简称LVDT)，5-法兰盘，6-套筒，7-分度式光电角度编码器，8-刚性连杆，9-基座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种分度二连杆式球杆仪，包括连接轴1、轴承2、伸缩杆3、直线位移传感器4、法兰盘5、套筒6、分度式光电角度编码器7、刚性连杆8和基座9；分度式光电角度编码器7为现有技术，比如可以采用公开号为CN 110345974 A公开的分度式光电角度编码器。刚性连杆8的一端通过一个轴承2支承在支承轴上，支承轴固定在基座上，该轴承通过套筒6和刚性连杆8支承孔处的凸环实现相对支承轴的轴向定位；分度式光电角度编码器7的座体固定在刚性连杆8的另一端；分度式光电角度编码器7的输出轴通过一个轴承2与刚性连杆8连接，该轴承也通过套筒6和刚性连杆8支承孔处的凸环实现相对支承轴的轴向定位；伸缩杆3包括构成滑动副的杆段一和杆段二，且杆段一与杆段二之间设有直线位移传感器4，直线位移传感器4用于测量伸缩杆3的长度变化量，伸缩杆3的最大长度变化量为1mm；伸缩杆3的杆段一套置在分度式光电角度编码器7的输出轴上；分度式光电角度编码器7的输出轴末端开设的定位孔与法兰盘5通过紧定螺钉连接，法兰盘5与杆段一通过紧固螺钉连接；连接轴1通过一个轴承2支承在杆段二上；测量时将连接轴1与数控机床主轴固定连接，数控机床主轴经连接轴1带动伸缩杆3、分度式光电角度编码器7、刚性连杆8绕支承轴轴心线做圆弧插补运动，由于机床本身存在的误差会使得伸缩杆3产生微小的长度变化，直线位移传感器4通过检测伸缩杆3的杆长变化规律，分析得到机床存在的误差。

该分度二连杆式球杆仪仅限在二维平面XOY内工作，平面XOY设定为伸缩杆3的一个侧面，且平行于数控机床的工作台。

如图5所示为本发明的测量原理，设定点O为支承轴轴心线与平面XOY的交点，点A为分度式光电角度编码器7输出轴的轴心线与平面XOY的交点，点B为连接轴1的轴心线与平面XOY的交点，点B即为测量点；L₁＝|OA|为刚性连杆8的长度，L₂＝|AB|为伸缩杆3的初始长度，θ为刚性连杆8与伸缩杆3的夹角，|OA|为点O与点A的距离，|AB|为点A与点B的距离。则该分度二连杆式球杆仪工作时，数控机床主轴与平面XOY的交点绕支承轴轴心线与平面XOY的交点以理论等效半径为R＝|OB|的圆做圆弧插补运动，|OB|为点O与点B的距离，由于数控机床自身存在的误差使伸缩杆3产生微小的变化Δl，则测量点的实际位置在点C处，即数控机床主轴的实际等效半径R'＝|OC|，|OC|为点O与点C的距离。则数控机床主轴的半径变化量ΔR＝|R-R'|为实际等效半径与理论等效半径的差值，即数控机床测量时的误差值，图5中，点B'为点B在点O与点C连线上的投影。可见，Δl放大了数控机床的测量误差，放大倍数N为：

N＝Δl/ΔR

设定当θ＝180°时，理论等效半径取得最大值R_max＝L₁+L₂，此时伸缩杆3的长度变化量Δl等于ΔR，即N＝1；当0°<θ<180°时，伸缩杆3的长度变化量Δl大于数控机床主轴的半径变化量ΔR，本实施例中描绘出的放大倍数N与θ的关系如图6所示，但是不管该分度二连杆式球杆仪的各尺寸如何改变，随θ变化，放大倍数N均大于1，即本发明可通过测量Δl反映ΔR，提高了本发明对数控机床测量误差的分辨率，从而本发明能用于更高精度机床的检测；当θ＝0时，刚性连杆8与伸缩杆3重叠，理论等效半径R取得最小值R_min＝|L₁-(L₂±Δl)|，当伸缩杆3缩短时取正号，伸长时取负号，此时伸缩杆3的变化量Δl也等于数控机床主轴的半径变化量ΔR，即N＝1。由于机械结构上的干扰，且为了避免在测量时刚性连杆8上的不稳定位置点，实际等效半径的工作范围应设定为：

Δ＜R'＜R_max

Δ取值为小于10mm的正值。

所使用的分度式光电角度编码器7含有m个分度位置，每一个分度位置均经过高精度测角仪器进行标定，标定后的m个角度值作为分度位置的实际角度输出，从而实现m个分度位置的高精度角度输出。

该分度二连杆式球杆仪对机床精度的检测方法，具体如下：

将基座9固定在数控机床工作台上，将连接轴1与数控机床主轴固定；打开分度式光电角度编码器7，进行找零，零位为刚性连杆8与伸缩杆3的夹角为0°位置。打开直线位移传感器4，在分度式光电角度编码器7大于0°且小于180°的各个分度位置处分别对数控机床进行精度检测。每个分度位置处进行数控机床精度检测的过程具体为：将分度式光电角度编码器7锁紧，则刚性连杆8与伸缩杆3的夹角θ就是分度式光电角度编码器7在该分度位置的角度输出值；使数控机床在二维平面内做圆弧插补运动，根据直线位移传感器4检测到的伸缩杆3长度变化量Δl，通过误差检测原理求解数控机床主轴的半径变化量ΔR和测量误差的放大倍数。

通过误差检测原理求解实际半径变化量ΔR和测量误差放大倍数的过程如下：

数控机床主轴的理论等效半径R为：

数控机床主轴的实际等效半径R'为：

机床主轴的半径变化量ΔR为：

测量误差的放大倍为：

N＝Δl/ΔR

其中：

L₁为刚性连杆8的长度；

L₂为伸缩杆3的初始长度(伸缩杆3的最大伸缩量为1mm)；

Δl为直线位移传感器4测得的伸缩杆3长度变化量。

Claims (7)

1.一种分度二连杆式球杆仪，包括连接轴、轴承、法兰盘、套筒、分度式光电角度编码器、刚性连杆和基座，其特征在于：还包括伸缩杆和直线位移传感器；所述刚性连杆的一端通过一个轴承支承在支承轴上，支承轴固定在基座上；所述分度式光电角度编码器的座体固定在刚性连杆的另一端；分度式光电角度编码器的输出轴通过一个轴承与刚性连杆连接；所述的伸缩杆包括构成滑动副的杆段一和杆段二，且杆段一与杆段二之间设有直线位移传感器；所述伸缩杆的杆段一套置在分度式光电角度编码器的输出轴上；分度式光电角度编码器的输出轴末端开设的定位孔与法兰盘固定，法兰盘与杆段一固定；所述的连接轴通过一个轴承支承在杆段二上；分度式光电角度编码器含有若干分度位置，每一个分度位置均经过标定。

2.根据权利要求1所述的一种分度二连杆式球杆仪，其特征在于：轴承通过套筒和刚性连杆支承孔处的凸环实现相对支承轴的轴向定位。

3.根据权利要求1所述的一种分度二连杆式球杆仪，其特征在于：分度式光电角度编码器的输出轴末端定位孔与法兰盘通过紧定螺钉连接。

4.根据权利要求1所述的一种分度二连杆式球杆仪，其特征在于：法兰盘与杆段一通过紧固螺钉连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种分度二连杆式球杆仪对机床精度的检测方法，其特征在于：该方法具体如下：

将基座固定在数控机床工作台上，将连接轴与数控机床主轴固定；打开分度式光电角度编码器，进行找零，零位为刚性连杆与伸缩杆的夹角为0°位置；打开直线位移传感器，在分度式光电角度编码器大于0°且小于180°的各个分度位置处分别对数控机床进行精度检测；每个分度位置处进行数控机床精度检测的过程具体为：将分度式光电角度编码器锁紧；数控机床主轴在二维平面内做圆弧插补运动，根据直线位移传感器检测到的伸缩杆长度变化量Δl，通过误差检测原理求解数控机床主轴的半径变化量ΔR和测量误差的放大倍数；

通过误差检测原理求解实际半径变化量ΔR和测量误差放大倍数的过程如下：

数控机床主轴的理论等效半径R为：

数控机床主轴的实际等效半径R'为：

机床主轴的半径变化量ΔR为：

测量误差的放大倍数为：

N＝Δl/ΔR

其中：

设定点O为支承轴轴心线与平面XOY的交点，平面XOY设定为伸缩杆的一个侧面，且平行于数控机床的工作台；点A为分度式光电角度编码器输出轴的轴心线与平面XOY的交点，点B为连接轴的轴心线与平面XOY的交点，即测量点；L₁＝|OA|为刚性连杆的长度，L₂＝|AB|为伸缩杆的初始长度；|OA|为点O与点A的距离，|AB|为点A与点B的距离；θ为刚性连杆与伸缩杆的夹角；则数控机床主轴与平面XOY的交点绕支承轴轴心线与平面XOY的交点做圆弧插补运动时理论等效半径为R＝|OB|，|OB|为点O与点B的距离；由于数控机床自身存在的误差使伸缩杆产生长度变化量Δl，则数控机床主轴的实际等效半径R'＝|OC|，|OC|为点O与测量点实际位置点C的距离。

6.根据权利要求5所述的一种分度二连杆式球杆仪对机床精度的检测方法，其特征在于：伸缩杆的最大伸缩量为1mm。

7.根据权利要求5所述的一种分度二连杆式球杆仪对机床精度的检测方法，其特征在于：数控机床主轴与平面XOY的交点绕支承轴轴心线与平面XOY的交点做圆弧插补运动的实际等效半径R'设定为：

Δ＜R'＜R_max

其中，Δ取值为小于10mm的正值；设定当θ＝180°时，理论等效半径取得最大值R_max＝L₁+L₂，此时伸缩杆的长度变化量Δl等于ΔR，N＝1。

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