CN111457837B - 一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置 - Google Patents

一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，包括实时测量的精密转台，其特征在于：所述实时测量的精密转台包括第一顶尖、第二顶尖、主轴、电涡流探头C、电涡流探头D、探头法兰盘、圆光栅编码盘、读数头法兰盘、读数头A、读数头B、读数头A′、读数头B′、盖板、轴承端盖、轴承和壳体。本发明提出的测量新方法可以嵌入到精密转台中，实现对回转角度运动误差、X、Y方向径向运动误差，X、Y方向倾斜运动误差等回转运动的五个自由度的非接触式实时测量和主轴任意位置处运动误差的在线补偿，避免了接触式测量中长时间对标准件的磨损，以及激光测量中激光漂移对测量精度的影响。

Description

一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差 的测量装置
技术领域
本发明涉及精密测量及误差补偿技术领域，尤其涉及一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置。
背景技术
旋转工作台被广泛的应用于精密机械或测量仪器中，例如，五轴机床、工业机器人、跟踪仪、经纬仪等。随着智能制造的时代到来，对旋转工作台的运动精度要求越来越高。当前对转台多自由度运动误差的测量方法很多，如采用双球杆法，接触式探针法，这些方法均不可避免地进行接触性测量，测量精度上很大程度受到标准球或者标准圆柱的制造精度的影响。另一种比较普遍的测量方法为激光测量系统，但激光本身受环境影响较大，长时间测量会导致激光发生漂移，影响测量结果。
为了设计高精度的运动回转台，常采用圆光栅配合多读数头的误差分离技术。一种对径双读数头圆光栅测量方法可以消除径向运动和偏心误差对角度测量的影响。电涡流传感器具有非接触、高线性度、高分辨力的静态、动态测量的优点，本发明提出结合四读数头圆光栅编码器测量系统和双探头电涡流传感器测量系统来设计一种实时测量五自由度回转运动误差的精密转台。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，包括实时测量的精密转台，其特征在于：所述实时测量的精密转台包括第一顶尖、第二顶尖、主轴、电涡流探头C、电涡流探头D、探头法兰盘、圆光栅编码盘、读数头法兰盘、读数头A、读数头B、读数头A′、读数头B′、盖板、轴承端盖、轴承和壳体，所述圆光栅编码盘安装在主轴上轴肩O2位置，所述读数头法兰盘与圆光栅编码盘对应安装并固定在壳体上，所述探头法兰盘固定在主轴下轴肩O1处对应的壳体上，所述读数头法兰盘、圆光栅编码盘、探头法兰盘与主轴同轴；所述读数头A、A′、B、B′对径正交安装于读数头法兰盘上，用于主轴的回转运动角度以及主轴O2点的X、Y方向的径向运动误差测量；所述电涡流探头C、D正交安装于探头法兰盘上，用于测量主轴O1点的X、Y方向的径向运动误差；所述读数头A和电涡流探头C同轴；所述读数头B和电涡流探头D同轴；所述读数头法兰盘和探头法兰盘两侧均由内向外依次安装轴承、盖板、轴承端盖，所述实时测量的精密转台为一个密封整体。
优选的，所述实时测量的精密转台采用安装于壳体内部的具有四个读数头A、读数头B、读数头A′、读数头B′的圆光栅编码盘与两个垂直放置的电涡流探头C和电涡流探头D分别实时测量回转主轴不同两点的径向运动误差，进而可以实时测量出回转工作台两个方向倾斜运动误差，两方向径向跳动运动误差，转角运动误差等五个自由度运动误差，具体实现过程如下步骤：
步骤(一)：组合安装圆光栅、读数头、和主轴等组件；
步骤(二)：标定圆光栅相对于主轴的装配偏心误差；
步骤(三)：将标定好的组件整体装入转台壳体，通过求出主轴的实际回转运动角度进而求出圆光栅在X、Y方向的径向运动位移；
步骤(四)：测量计算主轴O1、O2点的径向运动误差；
步骤(五)：计算主轴倾斜运动误差，推导转台主轴上任意位置处的五自由度运动误差。
优选的，所述步骤(一)包括：将圆光栅固定在主轴上轴肩O2点；将主轴用顶尖1、2进行固定并驱动；将读数头A、A′、B、B′对径正交安装在读数头法兰盘上；读数头A与圆光栅的零位重合，顶尖驱动主轴旋转一周，记录读数头A、A′、B、B′扫描示数。
优选的，所述步骤(二)包括：根据读数头A、A′和B、B′的示数，计算出圆光栅的实际回转角度和O2点X、Y方向的径向运动位移；由于主轴为顶尖定位，其顶尖孔连线为固定，所以此时圆光栅沿X、Y方向的径向运动位移即为圆光栅相对于主轴的装配偏心误差。
优选的，所述步骤(三)包括：将主轴、圆光栅以及标定好的读数头法兰盘、探头法兰盘整体装入转台壳体中，读数头按照标定时的相对位置固定，将探头安装在法兰盘上，保证读数头A和探头C同轴；读数头B和探头D同轴；主轴实际回转角度测量：精密转台运动过程中，读数头的示数由主轴转过的实际角度和主轴的运动误差，圆光栅装配误差引起的角度变化组成，根据对径安装的读数头A、A′和B、B′的读数，求出主轴的实际回转运动角度；圆光栅的径向运动位移：根据读数头A、B、A′、B′与主轴实际回转角度的对应关系，求出圆光栅在X、Y方向的径向运动位移。
优选的，所述步骤(四)包括：主轴O2点的径向运动误差：步骤2-3中测得的圆光栅径向运动位移由主轴径向运动误差和圆光栅与主轴的装配偏心误差两部分组成，圆光栅的装配偏心在上述步骤1中已标定，从圆光栅径向运动位移中分离出圆光栅与主轴的装配偏心误差，即可计算主轴O2点在X、Y方向的径向运动误差；主轴O1点径向运动误差测量：主轴O1点处X、Y方向径向运动误差可由双探头电涡流测量系统直接测量。
优选的，所述步骤(五)包括：转台倾斜运动误差计算：根据主轴上O1、O2两点在X、Y方向的径向运动误差及O1、O2两点的中心距，计算出主轴在X、Y方向的倾斜运动误差；根据已测量O1、O2两点的X、Y方向的径向运动误差，主轴的X、Y方向的倾斜运动误差，主轴的回转角度运动误差，可以实时推导出转台主轴上任意位置处的五自由度运动误差，从而进行精密转台运动误差的在线补偿。
优选的，所述实时测量的精密转台作为一个封闭整体实现旋转工作台自测量主轴O1、O2两点五自由度运动误差，进而计算出转台主轴任意高度h处的五自由度运动误差，从而实现精密转台运动误差的实时自测量和在线补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，提出的测量新方法可以嵌入到精密转台中，实现对回转角度运动误差、X、Y方向径向运动误差，X、Y方向倾斜运动误差等回转运动的五个自由度的非接触式实时测量和主轴任意位置处运动误差的在线补偿，避免了接触式测量中长时间对标准件的磨损，以及激光测量中激光漂移对测量精度的影响。
(2)、一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，采用误差分离的方法和非接触性直接测量主轴径向运动误差，对圆光栅的装配精度要求不高，降低了精密转台的装配难度。
附图说明
图1是本发明的圆光栅相对于主轴装配偏心误差标定装置示意图；
图2是本发明的内嵌编码盘及电涡流传感系统的精密转台示意图；
图3是本发明的圆光栅编码器径向运动位移测量原理图；
图4是本发明的精密转台回转运动原理图
图中：1第一顶尖；2第二顶尖；3主轴；4电涡流探头C；5电涡流探头D；6探头法兰盘；7圆光栅编码盘；8读数头法兰盘；9读数头A；10读数头B；11读数头A′；12读数头B′；13盖板；14轴承端盖；15轴承；16壳体。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案
实施例：
一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，具体实现过程如下步骤：
步骤(一)：如图1所示，在主轴3的上轴肩O2点处固定圆光栅7；用第一顶尖1、第二顶尖2固定装配好的圆光栅编码盘7与四读数头法兰盘8的主轴3；将读数头A9、B10、A′11、B′12对径正交安装在读数头法兰盘8上；将圆光栅编码盘7零位与读数头A9重合，匀速转动主轴一圈，并记录四读数头示数。
步骤(二)：主轴3的实际回转角度计算：如图3所示，读数头A9、A′11、读数头B10、B′12对径安装，初始时圆光栅编码盘7在图3中实线位置，当主轴转过θ角度后，由于装配偏心的存在，圆光栅7运动至图3中虚线位置，读数头A9、A′11分别有εA和εA'的读数误差：
θA'＝θ+εA'(θ) (1)
θA＝θ-εA(θ) (2)
式中，θA和θA'分别为读数头A9和A′11的示数，θ为主轴的实际回转角度，εA(θ)和εA'(θ)分别为编码盘7在Y方向的偏心运动引起的读数头A9和A′11的读数误差；
由图3中几何关系可知εA(θ)和εA'(θ)大小相等，所以主轴实际回转角度为：
Figure GDA0003245878100000041
将公式(3)带入公式(1)、(2)可得读数头A9、A′11的角度误差为：
Figure GDA0003245878100000051
圆光栅7装配偏心误差计算：由图3中几何关系可知主轴转过θ角度后，圆光栅7在Y方向的径向运动位移为：
Figure GDA0003245878100000052
式中，r为圆光栅编码器的半径；
由于主轴无径向运动存在，所以此时圆光栅7在Y方向的运动位移Sy(θ)即为圆光栅7相对于主轴在Y方向的装配偏心误差ey(θ)；
同上分析原理，结合图3中几何关系，可知圆光栅7在X方向的径向运动位移Sx(θ)：
Figure GDA0003245878100000053
式中，εB(θ)为圆光栅7在X向的偏心运动引起的读数头B10的读数误差，θB和θB'分别为读数头B10和B′12的示数；
圆光栅7在X方向的径向运动位移Sx(θ)即为圆光栅7相对于主轴在X方向的装配偏心误差ex(θ)。
步骤(三)：如图2所示，将主轴3和标定的圆光栅编码盘系统，电涡流系统整体装入壳体中，四读数头的对应关系与标定时保持一致，圆光栅编码盘，读数头法兰盘，探头法兰盘与主轴同轴，且读数头A和探头C同轴；读数头B和探头D同轴；转台实际回转角度测量：读数头A9与A′11、读数头B10与B′12对径安装，可消除转台径向运动误差及圆光栅装配偏心对于读数头回转角度的影响，利用公式(3)可求出转台实际回转角度θ；圆光栅径向运动位移测量：主轴依靠轴承14固定，在回转时主轴会始终的存在回转运动误差，同时由于圆光栅7与主轴3存在装配偏心，因此会导致读数头扫描的示数存在误差。利用公式(5)、(6)可以计算出圆光栅7在X、Y方向的径向运动位移Sx2(θ)、Sy2(θ)。
步骤(四)：主轴O2点径向运动误差测量：在上述步骤中计算出圆光栅径向运动位移由转台径向运动误差与圆光栅与主轴的装配偏心误差组成，而圆光栅与主轴的装配偏心误差已在步骤1中标定完成，利用公式(7)、(8)将圆光栅编码盘的装配偏心误差分离以后，便可得出主轴上O2点X、Y方向的径向运动误差δx2(θ)，δy2(θ)；
Sx2(θ)＝ex2(θ)+δx2(θ) (7)
Sy2(θ)＝ey2(θ)+δy2(θ) (8)
主轴上O1点径向运动误差测量：电涡流传感器的探头C4、D5测量主轴上O1点X、Y方向的径向运动误差δx1(θ),δy1(θ)；
步骤(五)：转台倾斜运动误差计算：根据步骤(四)测量的主轴在O1、O2两点沿X、Y方向的径向运动误差，便可以计算出主轴的在X、Y方向的倾斜运动误差，以Y向为例，如图4所示：
Figure GDA0003245878100000061
式中：εy(θ)为转台转过θ角度后在Y方向的倾斜角度，L为主轴上O1、O2两点的中心距；
同理X方向的倾斜角误差εx(θ)为：
Figure GDA0003245878100000062
转台主轴上任意一点的径向运动误差计算：根据已经计算的主轴上O1、O2两点的径向运动误差以及转台在回转运动过程中的运动模型，如图4所示，可以推断出转台主轴上任意一点的径向运动误差为：
δ(θ)＝δ1(θ)+h×ε(θ) (11)
式中，δ(θ)为任意一点的径向运动误差，δ1(θ)为O1点某一方向的径向运动误差，h为任意一点到O1点的位移，ε(θ)则为主轴在该方向上的倾斜角度。
上述为本发明的具体实施过程，与传统转台不同，本发明提出了一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，根据与圆光栅对径安装的四个读数头的示数，可以计算出实时测量的精密转台的实际回转角度及转台在X、Y两个方向的径向运动误差，配合主轴下端的电涡流传感器测量的X、Y两个方向的径向运动误差，即可计算出转台在X、Y两个方向的倾斜运动误差，从而推断转台主轴任意位置的五自由度运动误差。采用本发明中的方法，可以测量任何回转装置的径向运动误差与倾斜运动误差，并可实现回转角度的高精度定位。并且采用本发明的结构可以消除主轴圆度以及表面粗糙度等标准件制造误差对于转台五自由度运动误差结果的影响。将本发明中的技术应用到内嵌转台中，可以实现转台运动误差的自测量功能，从而实现高精度旋转工作台的设计以及误差补偿。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，包括实时测量的精密转台，其特征在于：所述实时测量的精密转台包括第一顶尖(1)、第二顶尖(2)、主轴(3)、电涡流探头C(4)、电涡流探头D(5)、探头法兰盘(6)、圆光栅编码盘(7)、读数头法兰盘(8)、读数头A(9)、读数头B(10)、读数头A′(11)、读数头B′(12)、盖板(13)、轴承端盖(14)、轴承(15)和壳体(16)，所述圆光栅编码盘(7)安装在主轴(3)上轴肩O2位置，所述读数头法兰盘(8)与圆光栅编码盘(7)对应安装并固定在壳体(16)上，所述探头法兰盘(6)固定在主轴(3)下轴肩O1处对应的壳体(16)上，所述读数头法兰盘(8)、圆光栅编码盘(7)、探头法兰盘(6)与主轴(3)同轴；所述读数头A(9)、A′(11)、B(10)、B′(12)对径正交安装于读数头法兰盘(8)上，用于主轴(3)的回转运动角度以及主轴(3)O2点的X、Y方向的径向运动误差测量；所述电涡流探头C(4)、D(5)正交安装于探头法兰盘(6)上，用于测量主轴(3)O1点的X、Y方向的径向运动误差；所述读数头A(9)和电涡流探头C(4)同轴；所述读数头B(10)和电涡流探头D(5)同轴；所述读数头法兰盘(8)和探头法兰盘(6)两侧均由内向外依次安装轴承(15)、盖板(13)、轴承端盖(14)，所述实时测量的精密转台为一个密封整体。
2.根据权利要求1所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述实时测量的精密转台采用安装于壳体(16)内部的具有四个读数头A(9)、读数头B(10)、读数头A′(11)、读数头B′(12)的圆光栅编码盘(7)与两个垂直放置的电涡流探头C(4)和电涡流探头D(5)分别实时测量回转主轴(3)不同两点的径向运动误差，进而可以实时测量出回转工作台两个方向倾斜运动误差，两方向径向跳动运动误差，转角运动误差等五个自由度运动误差，具体实现过程如下步骤：
步骤(一)：组合安装圆光栅、读数头、和主轴等组件；
步骤(二)：标定圆光栅相对于主轴的装配偏心误差；
步骤(三)：将标定好的组件整体装入转台壳体，通过求出主轴的实际回转运动角度进而求出圆光栅在X、Y方向的径向运动位移；
步骤(四)：测量计算主轴O1、O2点的径向运动误差；
步骤(五)：计算主轴倾斜运动误差，推导转台主轴上任意位置处的五自由度运动误差。
3.根据权利要求2所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述步骤(一)包括：将圆光栅固定在主轴上轴肩O2点；将主轴用顶尖1、2进行固定并驱动；将读数头A、A′、B、B′对径正交安装在读数头法兰盘上；读数头A与圆光栅的零位重合，顶尖驱动主轴旋转一周，记录读数头A、A′、B、B′扫描示数。
4.根据权利要求2所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述步骤(二)包括：根据读数头A、A′和B、B′的示数，计算出圆光栅的实际回转角度和O2点X、Y方向的径向运动位移；由于主轴为顶尖定位，其顶尖孔连线为固定，所以此时圆光栅沿X、Y方向的径向运动位移即为圆光栅相对于主轴的装配偏心误差。
5.根据权利要求2所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述步骤(三)包括：将主轴、圆光栅以及标定好的读数头法兰盘、探头法兰盘整体装入转台壳体中，读数头按照标定时的相对位置固定，将探头安装在法兰盘上，保证读数头A和探头C同轴；读数头B和探头D同轴；主轴实际回转角度测量：精密转台运动过程中，读数头的示数由主轴转过的实际角度和主轴的运动误差，圆光栅装配误差引起的角度变化组成，根据对径安装的读数头A、A′和B、B′的读数，求出主轴的实际回转运动角度；圆光栅的径向运动位移：根据读数头A、B、A′、B′与主轴实际回转角度的对应关系，求出圆光栅在X、Y方向的径向运动位移。
6.根据权利要求2所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述步骤(四)包括：主轴O2点的径向运动误差：步骤2-3中测得的圆光栅径向运动位移由主轴径向运动误差和圆光栅与主轴的装配偏心误差两部分组成，圆光栅的装配偏心在上述步骤1中已标定，从圆光栅径向运动位移中分离出圆光栅与主轴的装配偏心误差，即可计算主轴O2点在X、Y方向的径向运动误差；主轴O1点径向运动误差测量：主轴O1点处X、Y方向径向运动误差可由双探头电涡流测量系统直接测量。
7.根据权利要求2所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述步骤(五)包括：转台倾斜运动误差计算：根据主轴上O1、O2两点在X、Y方向的径向运动误差及O1、O2两点的中心距，计算出主轴在X、Y方向的倾斜运动误差；根据已测量O1、O2两点的X、Y方向的径向运动误差，主轴的X、Y方向的倾斜运动误差，主轴的回转角度运动误差，可以实时推导出转台主轴上任意位置处的五自由度运动误差，从而进行精密转台运动误差的在线补偿。
8.根据权利要求2所述的一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置，其特征在于：所述实时测量的精密转台作为一个封闭整体实现旋转工作台自测量主轴O1、O2两点五自由度运动误差，进而计算出转台主轴任意高度h处的五自由度运动误差，从而实现精密转台运动误差的实时自测量和在线补偿。
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