CN113340222B - 用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法及装置，本发明方法包括将一块反射平晶置于导轨工作面上方且与导轨工作面保持45°角，通过波面干涉仪通过反射平晶向加载情况下的气浮导轨的工作面发射干涉激光光束，并将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端，得到加载情况下的气浮导轨的工作面的单个位置的变形，并将各个位置的变形拼接得到气浮导轨全行程的变形测量结果。本发明能够实现使用光学玻璃材料的高精度气浮导轨的变形测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对高精度导轨的研制。
Description
技术领域
本发明涉及机床研制过程中导轨形变误差的测量技术，具体涉及一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法及装置。
背景技术
目前导轨大多是由金属、大理石陶瓷等材料加工制成，常见的导轨有滚珠丝杆滑动导轨、液体静压导轨和气体静压导轨三类。对于气体静压导轨而言，由于气体本身的特性，包括振动小、粘性低、不易发生爬行、热稳定性好并且不污染环境等优点，使气体润滑这一技术能很好的适用于精密、轻载、高速的加工检测运动平台中，在载荷变动较小的超精密加工机床和测量机以及精密机械中，现已普遍采用空气静压导轨，并且随着高新技术的发展，近数十年来对精密及超精密加工和测量设备的需求不断增长，这就使得空气静压导轨得到了广泛的应用。若仍然采用金属、大理石、陶瓷等材料作为导轨工作面，但是这类材料属于不透光介质，导轨的形位误差仍然需要使用传统的坐标测量机进行检测，直接影响了导轨的运动精度。为了获取高精度的运动基准，导轨的工作面不仅需要良好的面形，各工作面形还需较高的形位精度。因此创新性的提出使用光学玻璃材料作为导轨基准，这样就可以通过光学加工和光学测量的方式使导轨各工作面以及形位误差达到亚微米精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法及装置，本发明能够实现使用光学玻璃材料的高精度气浮导轨的变形测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对高精度导轨的研制。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法，包括：将一块反射平晶置于导轨工作面上方且与导轨工作面保持45°角，通过波面干涉仪通过反射平晶向加载情况下的气浮导轨的工作面发射干涉激光光束，并将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端，得到加载情况下的气浮导轨的工作面的单个位置的变形，并将各个位置的变形拼接得到气浮导轨全行程的变形测量结果。
可选地，所述单个位置是指气浮导轨工作面的一段，且相邻两段之间存在重叠区域。
可选地，所述重叠区域的长度不小于10mm。
可选地，所述反射平晶表面设有镀膜，且镀膜层的发射率大于90％。
此外，本发明还提供一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，包括支撑平台和分别安装在支撑平台上的波面干涉仪、导轨预紧机构和夹具，所述夹具上安装有反射平晶，所述反射平晶置于导轨预紧机构的导轨安装位上方且与水平面保持45°角倾斜布置，所述波面干涉仪的光输出端通过反射平晶发射到导轨安装位、且在导轨安装位安装有被测量的气浮导轨时加载情况下气浮导轨的导轨工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端。
可选地，所述反射平晶的口径小于导轨的长度。
可选地，所述反射平晶表面设有镀膜，且镀膜层的发射率大于90％。
可选地，所述夹具的底部设有垫高块和安装调整台，所述夹具依次通过安装调整台、垫高块安装在支撑平台上，所述夹具和安装调整台之间固定连接，所述垫高块固定安装在支撑平台上，所述安装调整台上设有多个呈阵列状分布的螺纹孔，且所述安装调整台分别通过多根穿过螺纹孔的螺栓固定在连接在垫高块上，且所述螺栓上套设有复位弹簧，所述复位弹簧一端抵触在垫高块的顶面、另一端抵触在安装调整台的底面上。
可选地，所述气浮导轨包括玻璃导轨、驱动机构以及气浮滑块，所述驱动机构和玻璃导轨分别安装在导轨预紧机构上，所述气浮滑块在驱动机构的驱动下沿着气浮导轨的长度方向自由滑动。
可选地，所述玻璃导轨的中部设有沿长度方向布置的多个下沉安装槽，所述下沉安装槽的底部设有贯穿气浮导轨的安装孔，所述导轨预紧机构包括大理石底座和多个底座连接件，所述大理石底座安装在支撑平台上，每一个底座连接件的端部位于下沉安装槽内且穿过安装孔后安装固定在大理石底座上并对气浮导轨施加预紧力以实现加载工况，使得加载工况下气浮导轨的变形区域位于中部沿长度方向布置、且变形区域两侧为工作区域。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明通过波面干涉仪通过反射平晶向加载情况下的气浮导轨的工作面发射干涉激光光束，并将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端，得到加载情况下的气浮导轨的工作面的单个位置的变形，并将各个位置的变形拼接得到气浮导轨全行程的变形测量结果，利用波面干涉仪对导轨整个工作面进行区域测量，可以实现高精度测量。
2、本发明方法包括将一块反射平晶置于导轨工作面上方且与导轨工作面保持45°角，通过波面干涉仪通过反射平晶向加载情况下的气浮导轨的工作面发射干涉激光光束，并将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端，采用45°放置的标准平晶即可测量工作状态下水平放置的导轨，测量过程操作简单，便于实现。
3、本发明的适用对象为可被干涉仪测量的精度较高的导轨工作面，测量结果为导轨加载状态下或实际工作状态下的导轨面型，可用于各类光学精度类导轨加载状态下的变形测量。
附图说明
图1为本发明实施例装置的主视结构示意图。
图2为本发明实施例装置位于第一视角下的立体示意图。
图3为本发明实施例装置位于第二视角下的立体示意图。
图4为本发明实施例装置位于第三视角下的立体示意图。
图5为本发明实施例装置测得气浮导轨某位置的面形结果实例。
图6为本发明实施例装置测得气浮导轨另一位置的面形结果实例。
图例说明：1、波面干涉仪；2、导轨预紧机构；21、大理石底座；3、夹具；31、垫高块；32、安装调整台；33、螺纹孔；4、反射平晶；5、气浮导轨；50、玻璃导轨；501、下沉安装槽；51、气浮滑块；52、驱动电机；53、从动轮；54、皮带；55、主动轮。
具体实施方式
本实施例提供一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法，包括：将一块反射平晶置于导轨工作面上方且与导轨工作面保持45°角，通过波面干涉仪通过反射平晶向加载情况下的气浮导轨的工作面发射干涉激光光束，并将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端，得到加载情况下的气浮导轨的工作面的单个位置的变形，并将各个位置的变形拼接得到气浮导轨全行程的变形测量结果。本实施例方法能够实现使用光学玻璃材料的高精度气浮导轨的变形测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对高精度导轨的研制，可以应用于光学精度类导轨加载状态下的变形测量。
本实施例中，单个位置是指气浮导轨工作面的一段，且相邻两段之间存在重叠区域，通过带有重叠区域的拼接，可保证变形测量的准确度。一般情况下，为了实现拼接的准确和效率的均衡，重叠区域的长度不小于10mm。
本实施例中，反射平晶表面设有镀膜，且镀膜层的发射率大于90％，确保将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端的准确度。
对于纳米精度导轨，其工作状态的变形直接影响导轨精度。为了监测导轨实际工作状态下的整个工作面的变形，传统方法采用局部点测量，测量精度低且测量繁琐。本实施例用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的方法对导轨工作局部区域测量并进行拼接，实现对整个工作面变形的测量，精度高，测量方便，更有利于对误差的控制，提升导轨精度。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例还提供一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，包括支撑平台和分别安装在支撑平台上的波面干涉仪1、导轨预紧机构2和夹具3，夹具3上安装有反射平晶4，反射平晶4置于导轨预紧机构2的导轨安装位上方且与水平面保持45°角倾斜布置，波面干涉仪1的光输出端通过反射平晶4发射到导轨安装位、且在导轨安装位安装有被测量的气浮导轨5时加载情况下气浮导轨5的导轨工作面的面形误差通过反射平晶4反射回波面干涉仪1接收端。将一块反射平晶4置于导轨工作面(导轨安装位)上方且与导轨工作面保持45°角，通过波面干涉仪1通过反射平晶4向加载情况下的气浮导轨5的工作面发射干涉激光光束，并将加载情况下的气浮导轨5的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端，得到加载情况下的气浮导轨5的工作面的单个位置的变形，并将各个位置的变形拼接得到气浮导轨5全行程的变形测量结果。
本实施例中，反射平晶4的口径小于导轨的长度，通过对气浮导轨5上表面变形进行拼接测量，即对气浮导轨5上表面变形分成多段进行测量，最后将这些多段结果拼接形成导轨完整面的变形，以同时实现高检测精度和设备小型化的双重优势。
本实施例中，反射平晶4表面设有镀膜，且镀膜层的发射率大于90％，确保将加载情况下的气浮导轨的工作面的面形误差通过反射平晶反射回波面干涉仪接收端的准确度。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中夹具3的底部设有垫高块31和安装调整台32，夹具3依次通过安装调整台32、垫高块31安装在支撑平台上，夹具3和安装调整台32之间固定连接，垫高块31固定安装在支撑平台上，安装调整台32上设有多个呈阵列状分布的螺纹孔33，且安装调整台32分别通过多根穿过螺纹孔33的螺栓固定在连接在垫高块31上，且螺栓上套设有复位弹簧，复位弹簧一端抵触在垫高块31的顶面、另一端抵触在安装调整台32的底面上，通过调节不同位置的螺栓，即可实现夹具3的微调，确保反射平晶4置于导轨工作面上方且与导轨工作面保持45°角。
需要说明的是，本实施例方法和装置可适用于各类采用玻璃制成的气浮导轨5。例如作为一种可选的实施方式，如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中气浮导轨5包括玻璃导轨50、驱动机构以及气浮滑块51，驱动机构和玻璃导轨50分别安装在导轨预紧机构2上，气浮滑块51在驱动机构的驱动下沿着气浮导轨5的长度方向自由滑动。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中玻璃导轨50的中部设有沿长度方向布置的多个下沉安装槽501，下沉安装槽501的底部设有贯穿气浮导轨5的安装孔，导轨预紧机构2包括大理石底座21和多个底座连接件，大理石底座21安装在支撑平台上，每一个底座连接件的端部位于下沉安装槽501内且穿过安装孔后安装固定在大理石底座21上并对气浮导轨5施加预紧力以实现加载工况，使得加载工况下气浮导轨5的变形区域位于中部沿长度方向布置、且变形区域两侧为工作区域。
如图2、图3和图4所示，本实施例中驱动机构包括驱动电机52、从动轮53、皮带54，驱动电机52、从动轮53两者分别通过安装支架安装在大理石底座21上，驱动电机52的输出轴上设有主动轮55，且主动轮55和从动轮53通过皮带54传动连接，气浮滑块51与皮带54连接固定。此外，也可以根据需要采用其他传动方式，包括齿轮、齿条、摩擦轮等。
图4和图5为采用本实施例装置检测获得的气浮导轨5两个位置的面形结果实例，将各个位置的变形拼接得到气浮导轨全行程的变形测量结果。本实施例用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置能够实现使用光学玻璃材料的高精度气浮导轨的变形测量，测量过程简单，测量结果可靠，测量精度高，可方便对高精度导轨的研制，可以应用于光学精度类导轨加载状态下的变形测量。本实施例用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置可用于分析机床误差，分析机床误差产生来源，具有测量精度高的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，其特征在于，包括支撑平台和分别安装在支撑平台上的波面干涉仪（1）、导轨预紧机构（2）和夹具（3），所述夹具（3）上安装有反射平晶（4），所述反射平晶（4）置于导轨预紧机构（2）的导轨安装位上方且与水平面保持45°角倾斜布置，所述波面干涉仪（1）的光输出端通过反射平晶（4）发射到导轨安装位、且在导轨安装位安装有被测量的气浮导轨（5）时加载情况下气浮导轨（5）的导轨工作面的面形误差通过反射平晶（4）反射回波面干涉仪（1）接收端；所述夹具（3）的底部设有垫高块（31）和安装调整台（32），所述夹具（3）依次通过安装调整台（32）、垫高块（31）安装在支撑平台上，所述夹具（3）和安装调整台（32）之间固定连接，所述垫高块（31）固定安装在支撑平台上，所述安装调整台（32）上设有多个呈阵列状分布的螺纹孔（33），且所述安装调整台（32）分别通过多根穿过螺纹孔（33）的螺栓固定在连接在垫高块（31）上，且所述螺栓上套设有复位弹簧，所述复位弹簧一端抵触在垫高块（31）的顶面、另一端抵触在安装调整台（32）的底面上。
2.根据权利要求1所述的用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，其特征在于，所述反射平晶（4）的口径小于导轨的长度。
3.根据权利要求2所述的用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，其特征在于，所述反射平晶（4）表面设有镀膜，且镀膜层的发射率大于90%。
4.根据权利要求1所述的用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，其特征在于，所述气浮导轨（5）包括玻璃导轨（50）、驱动机构以及气浮滑块（51），所述驱动机构和玻璃导轨（50）分别安装在导轨预紧机构（2）上，所述气浮滑块（51）在驱动机构的驱动下沿着气浮导轨（5）的长度方向自由滑动。
5.根据权利要求4所述的用于测量加载状态下高精度气浮导轨变形的装置，其特征在于，所述玻璃导轨（50）的中部设有沿长度方向布置的多个下沉安装槽（501），所述下沉安装槽（501）的底部设有贯穿气浮导轨（5）的安装孔，所述导轨预紧机构（2）包括大理石底座（21）和多个底座连接件，所述大理石底座（21）安装在支撑平台上，每一个底座连接件的端部位于下沉安装槽（501）内且穿过安装孔后安装固定在大理石底座（21）上并对气浮导轨（5）施加预紧力以实现加载工况，使得加载工况下气浮导轨（5）的变形区域位于中部沿长度方向布置、且变形区域两侧为工作区域。
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