CN112676907A - 一种用于机床多自由度误差测量的空气湍流防护罩及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于机床多自由度误差测量的空气湍流防护罩及方法，空气湍流防护罩包括底板和支撑结构，所述支撑结构为可伸缩的U形结构，所述底板为L形结构，所述支撑结构的前端和后端分别安装有前面板和后面板，所述支撑结构内设置有可升缩的隔离板，所述前面板、后面板、支撑结构与隔离板之间形成有腔体，所述前面板用于与多自由度误差测量装置的激光发射端连接，所述后面板用于与多自由度误差测量装置的激光接收端连接，所述支撑结构扣接于底板上；所述支撑结构的伸缩臂为12:1。其体积小重量轻，价格便宜，便于集成在数控机床和多自由度测量装置中，实现机床长距离多自由度误差的高精度、高稳定性测量。
Description
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，特别是一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护方法与结构。
背景技术
机床是制造业的重要载体，其发展迅速，普及范围广，为制造业的发展注入了新的活力。随着现代机械制造技术的飞速发展，对各种数控机床的加工精度提出了更高的要求。同时，随着大型和超大型超精密装备制造业和大科学装置等领域的快速发展，在要求高精度与高效率的同时，又提出了长工作距离的迫切需求。典型的三轴机床包括21项几何误差，分别是各轴对应的六自由度误差以及每两轴之间的正交误差，而六自由度误差包括定位误差、二维直线度误差、俯仰角、偏摆角以及滚转角。目前常用的测量手段如激光干涉仪，激光跟踪干涉仪、球杆仪等，每次安装调整只能进行单参数测量，若测量诸多机床几何误差参数则需漫长繁琐的测量过程，费时费力，大大降低生产效率。因此，研究机床加工设备的几何参数误差同时检测的方法与实现技术已成为国内外相关行业共同探讨、函待解决但未能很好解决的问题之一。
基于激光准直与自准直原理实现多自由度同时测量是一种结构简单、易于集成、成本低的方法。目前国内外出现了许多激光准直方法与技术，专利号2019109776237，“带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置与方法”中提出一种基于激光准直与自准直原理实现测量的机床三轴五自由度测头，可同时测量激光角度漂移实现补偿，实现多自由度测量且可集成于数控机床。但这些方法与技术没有考虑合理的空气湍流防护方法，严重影响了测量的精度与稳定性。激光准直与自准直的测量光束在空气路径中传输，传输路径受空气湍流的影响不可避免，其在长工作距离下准直、自准直测量表现尤为明显，空气湍流的存在导致空气折射率随机起伏，从而使其内传播光波的参量振幅和相位也产生随机起伏。具体来讲，测量光束在传输过程中的吸收和散射会导致准直光束能量减弱和退偏振、光强闪烁、波面畸变、位置与方向漂移等。当一束平面波入射湍流介质时，出射光波的波阵面不再是平面，而是一个随机曲面，导致返回至自准直系统中在光电探测器上所成的图像变得模糊、畸变、光强不均匀变化以及中心位置随机变化等，严重影响机床长距离多自由度误差测量的精度与稳定性。因此，研制一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护方法与结构具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于机床多自由度误差测量的空气湍流防护罩及方法，可实现机床长距离多自由度误差的高精度、高稳定性测量。本发明将测量光束传输路径中的空气湍流场强度转换为较为稳定的层流场，减弱了长距离测量中空气湍流扰动对测量精度和稳定性的影响。此外本发明提供的湍流防护结构体积小重量轻，价格便宜，便于集成在数控机床和多自由度测量装置中，实现机床长距离多自由度误差的高精度、高稳定性测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于机床多自由度误差测量的空气湍流防护罩，包括底板和支撑结构，所述支撑结构为可伸缩的U形结构，所述底板为L形结构，所述支撑结构的前端和后端分别安装有前面板和后面板，所述支撑结构内设置有可升缩的隔离板，所述前面板、后面板、支撑结构与隔离板之间形成有腔体，所述前面板用于与多自由度误差测量装置的激光发射端连接，所述后面板用于与多自由度误差测量装置的激光接收端连接，所述支撑结构扣接于底板上；所述支撑结构的伸缩臂为12:1。
本发明还提供一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护方法，将空气湍流防护罩安装在待测机床的某一轴上，将前面板与多自由度误差测量装置的激光发射端连接，后面板与多自由度误差测量装置的激光接收端连接，通过腔体将测量光束密封保护，使测量光束所在流场的流速降低，能够使测量光束所在腔体内的流场由空气湍流场转换为空气层流场，即减弱长距离测量中空气湍流扰动对测量精度和稳定性的影响。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明提供一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护方法，可实现机床长距离多自由度误差的高精度、高稳定性测量。本发明将测量光束传输路径中的空气湍流场强度转换为较为稳定的层流场，克服了传统测量装置的不足，减弱了长距离测量中空气湍流扰动对测量精度和稳定性的影响，同时为测量光路提供了更加均匀的温度场，进一步提高了测量的精度和稳定性。
(2)本发明提供一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护罩，其体积小重量轻，价格便宜，便于集成在数控机床和多自由度测量装置中，实现机床长距离多自由度误差的高精度、高稳定性测量，由图5可知，使用空气湍流防护罩后，机床三轴五自由度测头水平直线度测量噪声减小了80％，大幅的减弱了空气湍流对测量的影响，提高了测量的精度和稳定性。
附图说明
图1是随流场雷诺数减少湍流场转换为层流场示意图。
图2是空气湍流防护罩的结构示意图。
图3是空气湍流防结构在机床Y轴上的装配图。
图4是适配机床三轴五自由度测头的空气湍流防护罩腔体示意图。
图5是机床三轴五自由度测头在有无空气湍流防护罩条件下水平直线度测量噪声示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
如图2所示，本发明提供一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护罩，由前面板1、后面板2、支撑结构3、腔体4、底板5构成，支撑结构3为可伸缩的U形结构，底板5为L形铝材结构，支撑结构的前端和后端分别安装有前面板1和后面板2，支撑结构3内设置有可升缩的隔离板，前面板、后面板、支撑结构与隔离板之间形成有腔体4，前面板1用于与多自由度误差测量装置的激光发射端6连接，后面板2用于与多自由度误差测量装置的激光接收端7连接，支撑结构3扣接于底板5上；
空气湍流防护罩可安装在机床任意一轴上，如图3，将空气湍流防护罩安装在机床Y轴上，考虑到测量过程中，机床多自由度误差测量装置的激光接收端随机床Y轴一起移动，本实施例将空气湍流防护罩设计成类似手风琴的拉簧样式，可随机床Y轴及机床多自由度误差测量装置一同移动，空气湍流防护罩的伸缩比为12:1，可满足机床的长距离多自由度误差测量，减小空气湍流对测量的影响；同时空气湍流防护罩的支撑结构安装在L形的底板5上，减少空气湍流防护罩伸缩时的阻力；同时，空气湍流防护罩使测量光束附近温度场更加均匀，减小了空气折射的变化，进一步提高了测量的精度与稳定性。
基于上述空气湍流防护罩，可实现机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护方法，具体如下：
粘性物体的流动形态分为层流、湍流及过渡流动。层流形态下的流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑动，流体间没有横向混杂，当流体流速超过某一数值时，流体不再保持分层流动，而可能在多个方向运动，各流层混淆起来，并有可能出现涡旋，进入湍流状态。
流体从层流过度到湍流，由无纲量雷诺数来判定，定义为：
式中，v为流体流速，d为管道当量直径，υ为流体运动粘度。当Re＜2300为层流流动；当Re＞4000时为湍流流动；当2300≤Re≤4000时为过度流。
在本实施例中，测得室内风速在v为0.01m/s至0.1m/s范围内波动，在20℃及一个标准大气压下空气的运动粘度υ＝1.48×10-5m2/s，测量光束所在流场为湍流场，折射率起伏导致的光强闪烁、波面畸变、位置与方向漂移极大影响了测量的精度及稳定性。如图1所示，降低测量光束所在的流场的雷诺数，可将湍流场转换为层流场，当流场恒为层流场时，空气湍流防护罩的最大当量直径d为0.340m。因此，利用当量直径d＜0.340m的空气湍流防护罩，将测量光束密封保护起来，使测量光束所在流场的流速降低，可使测量光束所在的流场由空气湍流场转换为空气层流场，即可减弱长距离测量中空气湍流扰动对测量精度和稳定性的影响。
如图4，以专利号2019109776237，“带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置与方法”中提出的一种基于激光准直与自准直原理实现测量的机床三轴五自由度测头为例，设计其适配的空气湍流防护罩，腔体长为376mm，宽为116mm，当量直径为0.177mm，压缩至最小长度为0.5m，拉伸到最大长度为6m。在加装空气湍流防护罩的条件下，测得空气湍流防护罩内的v为0.01m/s至0.03m/s范围内波动，大幅度降低了测量光束所在流场的气体流速，经计算可知空气湍流防护罩内的雷诺数Re＜358.78，成功将测量光束所在流场由空气湍流场转换为空气层流场。空气湍流防护罩的体积小重量轻，价格便宜，便于集成在数控机床和多自由度测量装置中，可实现机床长距离多自由度误差的高精度、高稳定性测量。如图5，使用空气湍流防护罩后，机床五自由度测头水平直线度测量噪声减小了80％，大幅的减弱了空气湍流对测量的影响。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于机床多自由度误差测量的空气湍流防护罩，其特征在于，包括底板和支撑结构，所述支撑结构为可伸缩的U形结构，所述底板为L形结构，所述支撑结构的前端和后端分别安装有前面板和后面板，所述支撑结构内设置有可升缩的隔离板，所述前面板、后面板、支撑结构与隔离板之间形成有腔体，所述前面板用于与多自由度误差测量装置的激光发射端连接，所述后面板用于与多自由度误差测量装置的激光接收端连接，所述支撑结构扣接于底板上；所述支撑结构的伸缩臂为12:1。
2.一种用于机床长距离多自由度误差测量的空气湍流防护方法，其特征在于，将空气湍流防护罩安装在待测机床的某一轴上，将前面板与多自由度误差测量装置的激光发射端连接，后面板与多自由度误差测量装置的激光接收端连接，通过腔体将测量光束密封保护，使测量光束所在流场的流速降低，能够使测量光束所在腔体内的流场由空气湍流场转换为空气层流场，即减弱长距离测量中空气湍流扰动对测量精度和稳定性的影响。
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