CN212762484U - 一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，圆光栅角度编码器支承在装置基座上；底座工具杯经连接平台与装置基座固定；特制加长杆一端与单精密球球杆仪本体固定，另一端与加长杆端精密球固定；特制加长杆的球窝装配口固定三点支撑式磁性球窝；旋转球吸附在底座工具杯和三点支撑式磁性球窝上；旋转同步支架通过圆光栅同步旋转盖与圆光栅角度编码器的转子固定，特制加长杆嵌入旋转同步支架的夹槽内；套杆与旋转同步支架通过螺栓及螺母连接；伸缩杆与套杆构成滑动副，并通过螺栓固定；传感器安装支架与伸缩杆通过螺栓及螺母连接；位移传感器固定在传感器安装支架上。本实用新型可同时获得机床多方向的几何误差。

Description

一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪

技术领域

本实用新型属于机床误差检测技术领域，具体涉及一种用于机床多维(多个方向)误差同时检测的改进型球杆仪。

背景技术

现代工业对数控机床加工精度的要求越来越高。但机床本身的制造精度和加工过程中存在的一些影响因素等问题，都会影响到机床的加工精度。因此，对机床的误差进行检测成为一项重要的工作，而如何快速、有效地检测出机床的误差是其中的关键。

球杆仪作为一种已经商品化的检测机床误差的仪器，相对于其他检测设备具有价格低、安装便捷、检测效率高等优势。球杆仪可以检测出机床单轴直线度、两轴垂直度、反向越冲、反向间隙等的机床主要几何误差。

在使用球杆仪对机床的几何误差进行检测时，通常情况是令机床主轴在某一平面内做圆弧插补运动。但是由于安装偏心、传动间隙、热变形等原因，导致机床主轴的运动不仅仅是在理想平面内。因此，需要检测的机床几何误差实则为多个方向的耦合误差。但是球杆仪产品本身只能检测出沿其轴向方向上的误差变化，对其他方向的机床几何误差无法进行检测。

发明内容

为了弥补现有球杆仪产品测量方向单一的缺陷，本实用新型以现有球杆仪产品为基础，加装自己设计的辅助测量装置(包括旋转球、连接平台、圆光栅同步旋转盖、圆光栅角度编码器、装置基座、读数头、特制加长杆、三点支撑式磁性球窝、旋转同步支架、套杆、伸缩杆、传感器安装支架和位移传感器等)，再结合可测量位移的传感器，将机床多维(多个方向)几何运动误差进行分开测量，可一次性同时测量机床多维几何运动误差，且通过改变加长杆的杆长比例将机床几何运动误差放大后再进行测量，检测方式优于直接使用普通商品化的球杆仪。

为了解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案是：

本实用新型包括主轴端工具杯、单精密球球杆仪本体、加长杆端精密球、底座工具杯、连接平台、调节球和辅助测量装置；所述的辅助测量装置包括装置基座、圆光栅角度编码器、旋转球、特制加长杆、三点支撑式磁性球窝、旋转同步支架、套杆、伸缩杆、传感器安装支架和位移传感器；圆光栅角度编码器的座体通过法兰轴承支承在装置基座上；圆光栅同步旋转盖与圆光栅角度编码器的转子固定；读数头通过读数头支架固定在装置基座上；读数头对准圆光栅角度编码器；连接平台与装置基座固定；底座工具杯通过磁力吸附固定在连接平台上，并与圆光栅角度编码器同轴设置；所述特制加长杆一端的外螺纹与单精密球球杆仪本体的螺纹孔连接，特制加长杆另一端的螺纹孔与加长杆端精密球的外螺纹连接；特制加长杆开设的球窝装配口处固定有三点支撑式磁性球窝；所述的旋转球通过磁力吸附在底座工具杯和三点支撑式磁性球窝上；旋转同步支架底部固定在圆光栅同步旋转盖上，特制加长杆嵌入旋转同步支架顶部的夹槽内；所述套杆的一端与旋转同步支架底部通过紧固螺栓一及螺母固定连接；所述的伸缩杆与套杆构成滑动副，且套杆开设的螺纹孔内连接有旋紧螺栓，对伸缩杆进行固定；传感器安装支架与伸缩杆通过紧固螺栓二及螺母固定连接；位移传感器固定在传感器安装支架上；位移传感器竖直设置在加长杆端精密球正下方。

所述圆光栅角度编码器的座体与法兰轴承中轴承的外圈配合，法兰轴承中轴承的内圈与装置基座配合。

所述的三点支撑式磁性球窝内固定有定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

所述旋转球的半径与加长杆端精密球和单精密球球杆仪本体未安装特制加长杆那端的伸缩球头的半径均相等。

本实用新型具有的有益效果是：

1.本实用新型同时检测加长杆端精密球球头位移量与球杆仪端精密球球头伸缩量，可以实时获得机床在任意位置的多个方向的几何误差量；其中，加长杆端精密球的球心位移量可以反映出被测机床做圆弧插补运动时垂直于球杆仪轴向方向的几何误差大小，球杆仪端精密球的球心位移量可以反映出被测机床做圆弧插补运动时沿着球杆仪轴向方向的几何误差大小。可见，本实用新型细分了球杆仪本身所测得的几何误差量，利于更精准的分析机床产生几何误差的原因。

2.本实用新型利用杠杆原理来检测加长杆端精密球球头位移量，可以通过改变加长杆两端的长度比例，成倍地放大机床几何误差，利于传感器对机床几何误差的高精度检测。

3.本实用新型采用圆光栅角度编码器直接测量球杆仪自身的旋转角度，不需通过采样频率和机床做圆弧插补运动的进给速率间接求解，可确保在高速进给加减速时，所得的旋转角度都是精准的，更利于解析测量轨迹图。可见，本实用新型所测得误差值与空间位置一一对应，可以精确分析机床产生误差的原因，并进行相应的补偿。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构立体图；

图2为本实用新型中位移传感器与加长杆端精密球的装配示意图；

图3为本实用新型中特制加长杆的结构立体图；

图4为本实用新型测量机床垂直于球杆仪方向的几何误差原理图；

图5为本实用新型的加长杆端精密球处计算几何原理图；

图6为本实用新型实施例仿真结果中机床几何误差x与r₄的关系图；

图7为本实用新型实施例仿真结果中补偿后位移传感器的测量值y₃与机床几何误差x的关系图。

图中：1、主轴工具杯；2、球杆仪；3、旋转球；4、底座工具杯；5、连接平台；6、圆光栅同步旋转盖；7、圆光栅角度编码器；8、法兰轴承；9、装置基座；10、读数头支架；11、读数头；12、紧固螺栓一；13、套杆；14、旋紧螺栓；15、伸缩杆；16、紧固螺栓二；17、位移传感器；18、加长杆端精密球；19、传感器安装支架；20、特制加长杆；21、旋转同步支架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1、2和3所示，一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，包括主轴端工具杯1、单精密球球杆仪本体2、加长杆端精密球18、底座工具杯4、连接平台5、调节球和辅助测量装置；主轴端工具杯1、单精密球球杆仪本体、加长杆端精密球18、底座工具杯4和调节球均是现有成熟的球杆仪套件中的零件；辅助测量装置包括装置基座9、圆光栅角度编码器7、旋转球3、特制加长杆20、三点支撑式磁性球窝、旋转同步支架21、套杆13、伸缩杆15、传感器安装支架19和位移传感器17；圆光栅角度编码器7的座体通过法兰轴承8支承在装置基座9上，即圆光栅角度编码器7的座体与法兰轴承8中轴承的外圈配合，法兰轴承8中轴承的内圈与装置基座9配合；圆光栅同步旋转盖6与圆光栅角度编码器7的转子固定；读数头11通过读数头支架10固定在装置基座9上；读数头11对准圆光栅角度编码器7；连接平台5与装置基座9固定；底座工具杯4通过磁力吸附固定在连接平台5上，并与圆光栅角度编码器7同轴设置；特制加长杆20一端的外螺纹与单精密球球杆仪本体2的螺纹孔连接，特制加长杆20另一端的螺纹孔与加长杆端精密球18的外螺纹连接；其中，单精密球球杆仪本体需要装好电池，使单精密球球杆仪本体处于待工作状态；特制加长杆20开设的球窝装配口处固定有三点支撑式磁性球窝；三点支撑式磁性球窝的球心到特制加长杆20两端端面的距离可以经过标定获得；特制加长杆20的材料使用热膨胀系数极低的殷钢，以减小温度的变化对测量结果的影响；作为优选实施例，三点支撑式磁性球窝内固定有定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块；旋转球3通过磁力吸附在底座工具杯4和三点支撑式磁性球窝上，作为杠杆法原理的支点。旋转球3的半径与加长杆端精密球18和单精密球球杆仪本体未安装特制加长杆20那端的伸缩球头的半径均相等。旋转同步支架21底部固定在圆光栅同步旋转盖上，特制加长杆20嵌入旋转同步支架21顶部的夹槽内；套杆13一端与旋转同步支架21底部通过紧固螺栓一12及螺母固定连接；伸缩杆15与套杆13构成滑动副，且套杆13开设的螺纹孔内连接有旋紧螺栓14，旋紧螺栓14用于伸缩杆15伸缩定位后对伸缩杆15进行旋紧固定；传感器安装支架19与伸缩杆15通过紧固螺栓二16及螺母固定连接；位移传感器17固定在传感器安装支架19上；将位移传感器17调整为竖直设置在加长杆端精密球18正下方，用于测量加长杆端精密球18球心的位移变化量。

该用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，工作原理如下：

将主轴端工具杯1固定在待测机床的主轴上，装置基座9固定在待测机床的工作台上；检测前，为了保证底座工具杯4和主轴工具杯1同轴心，可以先进行如下步骤：

将特制加长杆20从旋转同步支架21的夹槽内取下，特制加长杆20取下时连同单精密球球杆仪本体2、旋转球3和加长杆端精密球18一起取；然后，将调节球放置到底座工具杯4上，并将底座工具杯4的紧固拉杆调至松开状态；底座工具杯4的紧固拉杆松开状态下，底座工具杯4的调节杯具有偏摆和绕自身轴线旋转的功能；将主轴移动至底座工具杯4上方，并调整主轴的位置，使调节球受磁力作用而自然吸附到主轴工具杯4上，以保证底座工具杯4和主轴工具杯1同轴心。接着，拉紧底座工具杯4的紧固拉杆，将主轴当前位置记为测量坐标的原点，将主轴上升3-5cm，取下调节球，重新将主轴调节至测量坐标的原点位置；再接着，将主轴水平平移至预设的待测位置，待测位置根据需要设置即可。最后，重新将特制加长杆20嵌入旋转同步支架21的夹槽内，且将旋转球通过磁力吸附在底座工具杯4上。

检测时，首先将主轴移动到单精密球球杆仪本体的伸缩球头位置，并将伸缩球头吸附在机床的主轴工具杯1上；若此时位移传感器17未对准加长杆端精密球18，可以进行如下调整：通过紧固螺栓一12和旋紧螺栓14调节套杆13及伸缩杆15，使得位移传感器17位于加长杆端精密球18正下方；然后，通过紧固螺栓二16调节传感器安装支架19，使得位移传感器17竖直设置；位移传感器17用于测量加长杆端精密球18球心的位移变化量。然后，将位移传感器17和读数头的信号输出端连接到信号采集系统，单精密球球杆仪本体的信号输出端连接到球杆仪采集系统，让机床做圆弧插补运动，使得主轴工具杯牵引单精密球球杆仪本体、特制加长杆20和加长杆端精密球18同步转动；特制加长杆20再带动旋转同步支架21、圆光栅同步旋转盖6和圆光栅角度编码器7同步转动；单精密球球杆仪本体测量机床沿单精密球球杆仪本体轴向上的伸缩量，位移传感器17测量位移传感器与加长杆端精密球的距离，圆光栅角度编码器7测量机床主轴产生误差时所处的方位；信号采集系统采集位移传感器17和读数头的输出信号给处理器，球杆仪采集系统采集单精密球球杆仪本体的输出信号给处理器。

处理器可以对数据进行处理，得到机床沿垂直于单精密球球杆仪本体轴向运动时位移传感器理论上应测得的与加长杆端精密球的距离y₃和机床在垂直于单精密球球杆仪本体轴向的几何误差x。

如图4和5所示，由杠杆法的原理和支点到特制加长杆20两端端面的比例关系，可以进一步得出加长杆端精密球18球心在垂直于单精密球球杆仪本体轴向的位移量，也就是几何误差x。该位移量是由机床的几何误差引起的，现有球杆仪不能测量此误差值。因此，通过本实用新型可以测量机床沿单精密球球杆仪本体轴向的几何误差，又可以测量机床在垂直于单精密球球杆仪本体轴向的几何误差x。

下面说明机床沿垂直于单精密球球杆仪本体轴向运动时位移传感器理论上应测得的与加长杆端精密球的距离y₃和机床在垂直于单精密球球杆仪本体轴向的几何误差x的具体计算过程：

加长杆端精密球球心到特制加长杆20靠近加长杆端精密球的那个端面的距离记为L₄；特制加长杆20的杆长记为L₁+L₂，其中，三点支撑式磁性球窝的球心到特制加长杆20靠近加长杆端精密球的那个端面的距离记为L₂，三点支撑式磁性球窝的球心到单精密球球杆仪本体靠近加长杆端精密球18的那个端面的距离记为L₁，单精密球球杆仪本体靠近加长杆端精密球18的那个端面到伸缩球头球心的长度记为L₃；L₁、L₂、L₃和L₄为已知量，经过标定获得。

当主轴出现与单精密球球杆仪本体轴向垂直的误差时，加长杆端精密球球心沿水平方向的位移量为：

r₂＝(L₂+L₄)-cosθ(L₂+L₄)＝(1-cosθ)(L₂+L₄) (1)

其中，θ为球杆仪轴线与水平面的夹角。

初始状态时位移传感器与加长杆端精密球的距离记为y，主轴出现与单精密球球杆仪本体轴向垂直的误差时，位移传感器与加长杆端精密球的距离记为y₁，y和y₁通过位移传感器便能测得，为已知量；当主轴出现与球杆仪轴向方向垂直的几何误差时，加长杆端精密球球心的位移轨迹为绕三点支撑式磁性球窝的球心O的圆弧；因此，受机床误差影响，记加长杆端精密球发生位移后被位移传感器检测到的被测点为点A，记初始状态时加长杆端精密球被位移传感器检测到的被测点在加长杆端精密球发生位移后的位置点为点B，则点A和点B不是加长杆端精密球上的同一个点，记点A与点B的高度差为r₄。记点A和加长杆端精密球发生位移后的球心位置D₁的连线与点B和加长杆端精密球发生位移后的球心位置D₁的连线间的夹角为α，则推导得：

即：

其中，r为加长杆端精密球的半径，为已知量，经过标定获得；

记点A和加长杆端精密球发生位移后的球心位置D₁的高度差为r₃，则推导得：

r₃＝rcosα (3)

记初始状态时加长杆端精密球球心D和发生位移后时加长杆端精密球球心D₁的高度差为r₁，推导得：

r₁＝(L₂+L₄)sinθ (4)

将式(1)、式(2)、式(3)和式(4)代入下式：

y₂+r＝r₁+r₃ (5)

得：

其中，y₂为中间变量；

又由于

y₂＝y-y₁ (7)

联立式(6)和式(7)，求解出θ的表达式；

则有：

计算位移传感器理论上应测得的与加长杆端精密球的距离y₃：

当主轴出现与球杆仪轴向方向垂直的几何误差时，记几何误差大小为x,则x与夹角θ的关系为：

式中，△L为机床沿单精密球球杆仪本体轴向上的几何误差，即单精密球球杆仪本体轴向的伸缩量，其值由单精密球球杆仪本体直接测量出。由式(10)求得机床在垂直于单精密球球杆仪本体轴向的几何误差x的大小。

将公式(1)至公式(10)的计算式输入MATLAB中进行仿真分析得：

(1)球杆仪采用雷尼绍公司的QC20-W型号球杆仪，最大测量范围为2mm。本实施例给定一组y₁数据，求解对应的r₄、y₃和x，并进行仿真，得到x与r₄以及y₃与x的关系曲线图。如图6所示为x与r₄的关系曲线图，可见，当误差x达到最大值2mm时，本实用新型位移传感器实际测得的与加长杆端精密球的距离和应测得的与加长杆端精密球的距离y₃间的误差，即点A与点B的高度差r₄约为0.015μm，该仿真结果说明，本实用新型可有效测量机床的误差x。

(2)由上面推导可知，误差x为系统误差，可以由公式(10)进行表达。因此，可以根据误差x的表达式，对位移传感器所采集到的与加长杆端精密球的距离数据进行补偿，得到位移传感器理论上应测得的与加长杆端精密球的距离y₃。

将补偿后的数据作为原始数据，得到的y₃与x关系曲线图如图7所示，由仿真结果可知：位移传感器理论上应测得的与加长杆端精密球的距离和机床在垂直于球杆仪轴向方向产生的几何误差x呈现线性关系，理论推导与仿真结果相符，证明了本实用新型方法具有有效性和真实性，也进一步说明了本实用新型方法可以有效测量机床在垂直于球杆仪轴向方向上所产生的几何误差。

Claims (4)

1.一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，包括主轴端工具杯、单精密球球杆仪本体、加长杆端精密球、底座工具杯和调节球，其特征在于：还包括连接平台和辅助测量装置；所述的辅助测量装置包括装置基座、圆光栅角度编码器、旋转球、特制加长杆、三点支撑式磁性球窝、旋转同步支架、套杆、伸缩杆、传感器安装支架和位移传感器；圆光栅角度编码器的座体通过法兰轴承支承在装置基座上；圆光栅同步旋转盖与圆光栅角度编码器的转子固定；读数头通过读数头支架固定在装置基座上；读数头对准圆光栅角度编码器；连接平台与装置基座固定；底座工具杯通过磁力吸附固定在连接平台上，并与圆光栅角度编码器同轴设置；所述特制加长杆一端的外螺纹与单精密球球杆仪本体的螺纹孔连接，特制加长杆另一端的螺纹孔与加长杆端精密球的外螺纹连接；特制加长杆开设的球窝装配口处固定有三点支撑式磁性球窝；所述的旋转球通过磁力吸附在底座工具杯和三点支撑式磁性球窝上；旋转同步支架底部固定在圆光栅同步旋转盖上，特制加长杆嵌入旋转同步支架顶部的夹槽内；所述套杆的一端与旋转同步支架底部通过紧固螺栓一及螺母固定连接；所述的伸缩杆与套杆构成滑动副，且套杆开设的螺纹孔内连接有旋紧螺栓，对伸缩杆进行固定；传感器安装支架与伸缩杆通过紧固螺栓二及螺母固定连接；位移传感器固定在传感器安装支架上；位移传感器竖直设置在加长杆端精密球正下方。

2.根据权利要求1所述一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，其特征在于：所述圆光栅角度编码器的座体与法兰轴承中轴承的外圈配合，法兰轴承中轴承的内圈与装置基座配合。

3.根据权利要求1所述一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，其特征在于：所述的三点支撑式磁性球窝内固定有定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

4.根据权利要求1所述一种用于机床多维误差同时检测的改进型球杆仪，其特征在于：所述旋转球的半径与加长杆端精密球和单精密球球杆仪本体未安装特制加长杆那端的伸缩球头的半径均相等。

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