CN1850443A - 花岗岩步距规测量装置 - Google Patents

Abstract

一种花岗岩步距规测量装置，由花岗岩步距规和位移传感器组成，利用花岗岩步距规高而稳定的精度和高精度杠杆式位移传感器的组合，经过标定以后，提供普及型的检测工具，可以在车间环境下使用，用来测量机床轴向一系列离散点的误差，用来实现快速机电联调，同时也可以进行机床精度评价和螺距误差补偿。本发明设计合理，结构简单，不随常规的温差而发生变化，形态稳定，耐磨，耐酸、耐碱、不生锈，无磁性反应，成本较低，测量精度高。

Description

花岗岩步距规测量装置

技术领域

本发明属于一种测定数控设备的单轴轴向定位误差的装置，特别是花岗岩步距规测量装置。

背景技术

对数控机床位置精度测量和评定，国际标准IS0230-2：1997(test codefor machine tools-part 2：Determination of accuracy andrepeatability of positioning numerically controlled axes)和国家标准GB10931-89都推荐使用激光干涉仪(Laser Interferometer)。激光干涉仪测量精度高，一般可达到0.1μm。但激光干涉仪测量时间长，需要专人操作，对环境要求高，一般不适宜在车间环境下使用，同时价格昂贵。因而，并非理想的测量装置。目前，也推荐使用球杆仪(DBB，Double Ball Bar)测量装置，为避免温度变化对测量精度的影响，球杆的主要部分已由最初的钢材改为大理石或者花岗岩材料，对中、小型机床的测量取得比较好的效果，一般精度可达微米级。大型机床的测量需要较长的球杆，此时，由于重力、摩擦等的影响测量精度不高。该种测量方法，通过测量机床圆轨迹径向误差得出机床定位精度的评价数值。目前还没有成熟的评价标准，一般作为机床精度的参考。测量时安装比较复杂，易损毁，一台测量装置约需人民币5万元。光栅尺也常用来进行中、低档精度的机床的位置精度的评定，高精度的光栅尺制造困难。德国HEIDENHAIN公司最近研制成功了VM101型开放式线性光栅尺，解决了一般光栅尺测量时安装困难的问题，测量精度一般可达±2μm，虽然采用了温度膨胀系数较小的钢材，也难以消除温度对测量精度的影响。同样测量装置对环境要求较高，不适宜车间环境操作，价格较高。普通钢制步距轨由于制造精度、温度变形、易生锈、操作不便等的影响，只在早期的机床轴向标尺误差的测量过程中起到了一定作用，未能得到广泛的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种花岗岩步距规测量装置，利用花岗岩(大理石)高而稳定的精度和高精度的杠杆式位移传感器的组合，经过标定以后，提供普及型的检测工具，可以在车间环境下使用，用来测量机床轴向一系列离散点的误差，用来实现快速机电联调，同时也可以进行机床精度评价和螺距误差补偿。

本发明由花岗岩步距规和杠杆式位移传感器组成，花岗岩步距规(1)呈矩形齿条状，间隔20mm~100mm设计一个矩齿(5)，可有3~20个矩齿组成，矩齿(5)有侧基准面(2)和测量基准面(4)，在两个矩齿(5)之间有联结块(6)，有两个比联结块(6)高的联结块上设有定位基准面(3)，联结块(6)比矩齿(5)厚，或联结块(6)和矩齿(5)一样厚，花岗岩步距规(1)上的测量基准面(4)与装在机床上的杠杆式位移传感器(7)配合。

本发明设计合理，结构简单，成本较低，形态稳定，不随常规的温差而发生变化，耐磨，耐酸、耐碱、不生锈，无磁性反应，测量精度高。

附图说明：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明花岗岩步距规主视图；

图3是本发明花岗岩步距规左视图；

图4是本发明另一种花岗岩步距规主视图；

图5是本发明另一种花岗岩步距规左视图。

具体实施方式：

如图1、2、3所示，用花岗岩(大理石)制成的花岗岩步距规。花岗岩取材于地下优质的岩石层，经过亿万年自然时效，形态极为稳定，不用担心因常规的温差而发生变形。而一般的钢材线涨系数为1.17×10^-5/℃，铸铁为1.0×10^-5/℃，铜为1.7×10^-5/℃。也就是说，温度每升高1℃，1米长的钢材要伸长11.7μm，1米长的铸铁要伸长10.0μm，1米长的铜材要伸长17.0μm。以上材料如果作为标准件来度量机床的误差，无疑会产生较大的测量误差。经严格物理试验和选择的花岗石料，结晶细密，质地坚硬，抗压强度达2290-3750公斤/平方厘米，硬度达莫氏硬度6-7级。极耐磨损、耐酸、耐碱，有很高的耐腐蚀性，永远不会生锈。由于花岗石系非金属材料，绝无磁性反应，亦无塑性变形。其硬度比铸铁高2-3倍(相当于HRC＞51)，因此精度保持性好。在使用中岩石工具即使遭重物磕碰，至多掉几粒石碴而已，而不会像金属工具那样，因变形而破坏精度。目前，花岗石已被广泛的用于制作精密的测量基准零件，可以获得高而稳定的精度。

如图4、5所示，为提高制造精度，花岗岩步距规的测量基准面(4)也可以做成台阶的形状。

以下结合附图对本发明说明：

1.机床轴向误差的测量方法及精度评价

本装置考虑到目前各生产厂家实际需要，支持两种机床评价标准GB10931-89和JIS标准，以GB10931-89为例(以下符号统一为标准规定使用)。数控机床位置精度的考核由定位精度A(bidirectional accuracy ofpositioning)、重复定位精度R(repeatability of positioning of an axis)、反向偏差B(reversal value of an axis)三项来决定。以数控机床坐标轴X轴为例，位置偏差X_ij为实际位置P_ij与指令位置Pj之差，即：

                    X_ij↑＝P_ij↑-P_j

                    X_ij↓＝P_ij↓-P_j

式中：j：测量位置数；i：第i次向测量位置定位；↑：表示传感器正向趋近测量基准；↓：表示传感器反向趋近测量基准；测量次数n。

各点的平均位置偏差表示为：

$\stackrel{\‾}{X}\↑=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ij}}\↑$

$\stackrel{\‾}{X}\↓=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ij}}\↓$

各点的反向偏差B_j：

                           B_j＝X_j↑-X_j↓

数控机床的反向偏差取各点反向偏差的最大值：

                           B＝|B_j|_max

标准偏差S_j由下式得到：

$S_j\↑=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_{\mathrm{ij}}\↑-{\stackrel{\‾}{X}}_j\↑)}^2}$

$S_j\↓=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_{\mathrm{ij}}\↓-{\stackrel{\‾}{X}}_j\↓)}^2}$

则有：

                           R＝Max(S_j)

$A={(\stackrel{\‾}{X_j}+{3S}_j)}_{\max }-{(\stackrel{\‾}{X_j}-{3S}_j)}_{\min }$

2.误差补偿：

在得到上述误差补偿参数的基础上，可得误差补偿值E_j′：

                           E_j′=-E_j

其中：E_j′为点j的补偿值，E_j为点j的误差平均值；

$E_j=\stackrel{\‾}{X_j}$

对于数控机床的双向精度补偿，只补偿上述各点的位置误差，不必对反向间隙进行补偿，补偿值取。B′＝0。

对单向精度补偿，各点的补偿值可按正向误差补偿，同时必须对反向间隙补偿，补偿值取B′＝｜ B｜。

3.花岗岩步距规的设计和制造

见图2、3、4、5，花岗石(大理石)步距轨可以设计成图2、3所示形状，测量基准面(4)是平面，考虑到步距规加工的工艺性，也可按照图4、5的形式加工。主要包括两个定位基准面，以便在工作台上确定地定位。测量基准面的个数可由测量的长度而定，一般建议每隔50mm设计一个测量基准面，可有10个齿。其中步距规的侧基准面是测量的调整面，检测时必须调整到平行于机床的测量轴(X)轴。

花岗石步距规的测量精度主要靠精确的标定来保证，而基本上不依赖其制造精度。设计主要要求如下：

1)两个定位基准面(3)的平面度不大于0.02mm。

2)各测量基准面(4)相互平行度不大于0.02mm。

3)各测量基准面(4)和定位面(3)的垂直度不大于0.05mm。

4)侧基准面(2)和定位基准面(3)的垂直度不大于0.02mm。

可采用如下的制造方法：

1)选好毛坯石材后，可在桥式锯石机，型号QB2500-I，或者其它锯石机上锯成要求的四方形状。

2)锯切出齿型。

3)粗磨出定位基准面(3)。

4)粗磨出侧面基准面(4)。

5)以定位基准面(3)为基准，粗磨矩形齿测量基准面(4)。

6)精磨出定位基准面(3)，侧面基准面(4)。

7)以定位基准面(3)为基准，精磨矩形齿测量基准面(4)。加工完成。

4.花岗岩步距规的标定

步距规的标定可以通过两种方法完成。

1)使用坐标测量机对步距规的尺寸直接进行测量。将步距规沿坐标机长轴放置，适当卡紧。以步距规的两个定位基面、测量基准面在步距规上建立三维笛卡儿坐标系。通过坐标机上的接触式测头对步距规的工作面进行测量，每个平面测5点以上，计算机计算出步距规平面之间的距离和平面之间的平行性，面与面间的距离和平行性是评价步距规的两个指标参数。

2)使用坐标机和美国惠普公司的5529双频激光干涉仪对步距规进行标定。将激光干涉仪的反射镜和步距规装夹在移动工作台上，调整光路，使激光光路与工作台的移动方向平行。Leitz坐标测量机的测头有一个特性，就是可以在锁紧按钮时，以一个恒定的偏移靠在被测物体表面，步距规的校准就是利用坐标测量机的这个特性，依次将测头靠在步距规的指定测量基准点上，读入激光干涉仪的示值。换句话说就是，使用坐标测量机对步距规的每个测量面进行瞄准，通过激光干涉仪的指示值进行示值测量。为了提高测量的准确度，可以使用高准确度的气压计、温度计对波长进行修正。通过计算机将这些仪器与5528激光干涉仪连机，能够实现自动实时补偿，提高测量的准确度。

3)为提高测量的精度也可以对整个测量系统进行标定，标定方法可参考上述步骤1)或2)完成。

5.利用花岗岩步距规测量数控机床轴向定位误差

花岗岩步距规经标定以后，即可用于检测数控机床轴向定位误差，其方法和步骤如下：

(1)将步距规放置在机床的工作台上，将杠杆式位移传感器固定在机床的主轴上，(主轴锁死，不可转动)，机床坐标回零。

(2)调整步距规的位置和方向，使步距规的侧基准面调整到平行于机床的测量轴(X)轴。

(3)传感器下降(移动Z轴)，使杠杆式位移传感器与花岗岩测量基准面接触，并有一定的预压缩量。此时机床的相对坐标值也设为零：x₁＝y₁＝z₁＝0。

(4)机床沿规定的测量路线(根据前述，不同的测量标准有不同的测量路线)，按照指令位移移动。为避免速度的影响，可采用较低的运动速度(不大于50mm/min)，各指令段的位移数值，等于相应步距规规矩的标定值。这样通过传感器的读数值，准确得到机床的运动误差数值。

(5)上述测量过程可多次循环(一般5次)，计算出对应每一个指令位置的平均轴向定位误差值。

(6)利用上述测量结果，即可对数控机床进行精度评价和误差补偿。

上述标定与检测以及误差的补偿过程可编制程序，自动地进行。

Claims (2)

1.一种花岗岩步距规测量装置，由花岗岩步距规和杠杆式位移传感器组成，其特征在于：花岗岩步距规(1)呈矩齿条状，间隔一定长度设计一个矩齿(5)，可有若干个矩齿组成，矩齿(5)有侧基准面(2)和测量基准面(4)是平面，在两个矩齿(5)之间有联结块(6)，有两个比联结块(6)高的联结块上设有定位基准面(3)，联结块(6)比矩齿(5)厚，或联结块(6)和矩齿(5)一样厚，花岗岩步距轨(1)上的测量基准面(4)与装在机床上的杠杆式位移传感器(7)配合。

2.据权利要求1所述的花岗岩步距规测量装置，其特征在于：花岗岩步距规的测量基准面(4)做成台阶的形状。

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