CN87203541U - 直线导轨动态测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测量直线导轨四个圆弧滚道的直线度、四个圆弧滚道对各基面的平行度、四个圆弧滚道的相互平行度以及直线导轨副总成精度的直线导轨动态测量仪新装置。

本装置有测量信号感受新结构，使测量过程模拟了直线导轨副实际工作时的运动状态，测量的误差曲线真实可靠。采用微机系统和1米基准直尺，通过误差分离，对仪器工作台运动的系统误差进行了动态补偿。

Description

本实用新型属长度计量技术

一、前        言

直线导轨副是我国新开拓的精密滚动部件。它据有精度高，效率高，使用方便，寿命长等特点，应用越来越广泛。为适应批量及专业化生产的需要，急待解决高精度，高效率的检测问题。

通常直线度测量方法有直接测量法和间接测量法。直接测量法有平尺法和打表法。间接测量法有水平仪法和自准直仪法。直线导轨的滚道是园弧，而且园弧很短，只有园周的四分之一。由于结构特点，上述传统的测量方法已不能适应。

哈工大黄清渠主编的“几何量计量”与机械工程师进修大学教材第10期介绍了测量直线度的对比法。该法也不能解决直线导轨滚道的直线度测量。

通过试验研究发明了“直线导轨动态测量仪”。本量仪设计有测量信号感受新结构，使测量过程模拟了直线导轨副实际工作时的运动状态，测量的误差曲线真实可靠。本发明应用了微机系统和1米基准直尺，通过误差分离，对仪器工作台运动的系统误差进行了动态补偿，实现了动态连续测量。整个测量过程与评定过程实现了自动化，获得了测量的高精度与高效率。

本实用新型可以对直线导轨四个园弧滚道两个方向的直线度、四个园弧滚道对各基面的平行度、四个园弧滚道的相互平行度以及直线导轨副总成精度进行动态连续测量。

二、仪器的工作原理与测量方法

工作原理主要介绍直线导轨滚道直线度测量与评定方法。其它测量项目，原理类似，叙述从略。

仪器可测工件最大长度拟定为1000毫米。

第一测量方案

仪器的测量基准为1米高精度工字研磨直尺。（见图1）

仪器传动系统见图2所示，通过ZK－32直流电机（6），三角皮带，皮带轮带动滚珠丝杠（4）旋转，由滚动螺母（2）带动工作台（7）移动。底座（1）固定在工作台上，工件固定在底座上。龙门架（3）固定在床身（5）上，龙门架上装有两个测量架。（见图3）测量架可通过手轮（8、9）进行水平方向粗调，通过手轮（10、11、12、13、20、21）进行垂直方向粗调。八个电感轴向测头（DGC－8ZG／A）（A₁，A₂，A₃，A₄；B₁，B₂，B₃，B₄）装在左右测量架上，由螺旋千分尺手轮（14、15、16、17、18、19、22、23）对电感测头进行微调。将1米工字基准尺放在底座上，（见图4）由底座的侧面C与底面B定位。分别由垂直与水平方向安装的轴向电感测头与基准尺接触并调整零位。工作台带动基准尺移动1000毫米，电感测头按规定的采样间隔进行采样，采样的位置由磁栅尺给于控制。磁头装在磁头架上，磁头架装在工作台上。磁栅尺安装在固定在床身上的支架上，磁栅尺与工作台运动轨迹平行0.015毫米，第一个采样点由集成电路接近开关控制，定位精度△S≤0.02毫米。采样信号经电感测微仪→放大器→A／D→APPLEⅡ。由垂直方向安装的电感测头测得的形状曲线记为f（y）；由水平方向安装的电感测头测得的形状曲线记为f（x）。f（y）与f（x）即为二条误差补偿曲线。

测量过程：把基准直尺从底座上取下，将直线导轨放在底座上，由底座的C、B面定位，垂直方向用螺钉压紧，水平方向用压板压紧。（见图3）

将四个与滚道半径相同（或接近）的测量钢球分别放入四个滚道内，（见图3），（滚道半径通过量棒与滚道配接触确定）测量钢球用限位爪限位。八个电感测头分别与四个测量钢球接触并调整零位。工作台带动工件移动1000毫米。主机接到零位信号后开始采样。由于直线导轨滚道有误差，使测量钢球发生偏移，由电感测头感受偏移量，拾取原始信号，八路误差信号分别依次经过带多路开关的电感测微仪→放大器→A／D→APPLEⅡ。这八条原始误差信号f（A₁），f（A₂），f（A₃），f（A₄），f（B₁），f（B₂），f（B₃），f（B₄）。

经过误差补偿后工件的真实形状误差曲线记为：

F（A₁）＝f（A₁）－（y） F（A₂）＝f（A₂）＋f（y）

F（A₃）＝f（A₃）－（y） F（A₄）＝f（A₄）＋f（y）

F（B₁）＝f（B₁）－（x） F（B₃）＝f（B₃）＋f（x）

F（B₂）＝f（B₂）－（x） F（B₄）＝f（B₄）＋f（x）

对工件实际误差曲线进行回归分析，按最小二乘法求出回归直线方程，以此直线作为评定基准来评定工件的直线度误差。

回归直线方程式：Zi＝b₁＋B₂xi

回归系数b₁，b₂用最小二乘法求出

b₁＝ 1/(n) ∑Zi－b₂1/(n) ∑Xi

$b_2=\frac{\mathrm{\Sigma \; Xi\; Zi\; -}\frac{1}{n}\mathrm{(\Sigma \; Xi)(\Sigma \; Zi)}}{{\mathrm{\Sigma X}}^2\mathrm{i-}\frac{1}{n}{\mathrm{(\Sigma \; Xi)}}^2}$

其中：Xi——横向座标，采样点至原点的距离

Zi——误差值

n——采样点数

作回归直线，取被测实际曲线上对其回归直线的最大正误差和最大负误差的绝对值之和作为被测实际直线的直线度误差。

经精度分析，该方案的总误差为±1.55微米，满足了D、E、F级精度的测量要求。

第二测量方案

为满足直线度偏差的高精确度测量（C级精度），就必须进一步提高基准尺的精确度，这是很不经济的，在工艺上也是很困难的，为此又拟定了第二测量方案。

将基准尺（见图1）放在底座上（见图5所示），用底座B、C面定位，两电感测头B₁与B₃对基面B等高，两测头连线垂直于基准尺，（在底座上放置园柱角尺，电感测头B₁，B₃分别对园柱角尺找转折点，以实现该要求。基准尺左端中心孔放一个钢球，使电感测头与钢球接触并调整零位（见图7），作纵向定位。

工作台带动工件移动1000毫米，电感测头B₁记录A面形状误差信号曲线为Fa（X）（见图5所示）

Fa（X）＝fa（X）＋V（X）－（1）

fa（X）——基准直尺A面中心处的形状误差曲线

V（X）——仪器工作台在水平面内运动轨迹的误差曲线

将基准尺翻转180°（见图6所示），由电感测头B₃记录A面形状误差信号曲线为Fb（X）

Fb（X）＝fa（X）－V（X）－（2）

通过数学处理：

fa（X）＝ 1/2 〔Fa（X）＋Fb（X）〕

V（X）即为工作台水平方向运动轨迹曲线，将其存入计算机。由计算机对被测工件在水平方向进行软件补偿。

将基准尺如（图8）安装，记录误差信号曲线记为Fc（X）

Fc（X）＝fa（X）＋H（X）

H（X）＝Fc（X）－fa（X）

H（X）即为工作台在垂直方向的运动轨迹曲线，将其存入计算机内，由计算机对被测工件在垂直方向进行软件补偿。

所测工件的八条误差信号曲线（见图3所示）按下式进行补偿。通过误差补偿，得到工件的真实形状误差曲线。

F（A₁）＝f（A₁）－H（X） F（A₂）＝f（A₂）＋H（X）

F（A₃）＝f（A₃）－H（X） F（A₄）＝f（A₄）＋H（X）

F（B₁）＝f（B₁）－V（X） F（B₃）＝f（B₃）＋V（X）

F（B₂）＝f（B₂）－V（X） F（B₄）＝f（B₄）＋V（X）

该方法对基准尺翻身精度要求高，可用四方铁，电感测头和电感测微仪进行控制，以保证翻身后fa（X）的重合性。

见图9（即图6所示的M向视图）

将L＝55毫米的四方铁放在底座上（基准直尺宽55毫米），用底座的C、B面定位。调整电感测头与四方铁接触，使电感测头B₅、B₆、B₁、B₃的读数为零。取去四方铁，将基准尺放在底座上，用底座的C、B面定位。设电感测头B₆读数为a₂，电感测头B₃读数为a₄，二读数差为△1＝a₂－a₄。当基准尺绕纵向翻转180°后，调整基准直尺位置，使电感测头B₅读数为a₁，电感测头B₁读数为a₃，使a₁－a₃＝△2，使△1＝△2，基准直尺纵向定位见图7所示。

电感测头B₃、B₆装在滑台上，滑台可沿电感测头轴线方向位移，靠重锤使滑台上的固定钢球与死挡铁平面接触定位。当基准直尺翻身前先将电感测头B₃、B₆退出，以免碰撞。

经精度分析：

（1）    测量滚动直线导轨的总误差为±0.22～0.44微米。

（2）    测量基准尺直线度与圆柱母线直线度的总误差为±0.17微米。

三、计算机控制系统工作原理

本实用新型总体控制框图（见图10所示）其控制装置分为六个部份：传感器、带电子多路开关的测微仪、放大器、A／D转换器、采样频率控制、主机。其中各部份的作用分述如下：

1.    传感器部分：直线导轨上有四个圆弧滚道，每个滚道需测垂直与水平两个方向的误差。一个滚道需要二个电感传感头。四个滚道就需要八个电感传感头，分两个组，A组与B组。A组测滚道的垂直方向，B组测水平方向的误差。

2.带电子多路开关的测微仪：其主体采用中原量仪厂生产的DGB－5型电感测微仪，采用四个电感测微仪，但因DGB－5型测微仪的输出信号只有A，A＋B，A－B，而无单独的B输出。对测微仪电路稍作修改并加入一片电子多路开关，则电感测微仪能分时地输出A、B两个信号，电子多路开关的转换由计算机控制。八个电感测头的信号分A、B两组传到下一级。

3.放大器：从测微仪输出的信号仅有±50mv，加一级放大器，将信号放大100倍，使达到±5V，即可进入下一级的A／D转换器。

4.A／D转换：采用ADC0804集成转换器件，由主机启动转换，并由主机查讯转换是否结束。若转换结束，则将四个数据分时，读入主机，便完成一个转换周期。

5.采样频率控制：采样频率可由采样频率预选开关选择，其选择范围是工件每位移0.05～0.5毫米采样一点。位移的距离由固定在仪器床身上的磁栅尺发出。零位信号控制采样起始点。采样频率控制器的输出信号向主机申请中断，主机即开始一个转换周期。

6.主机：主机采用APPLE－Ⅱ微型机。

通过键盘与显示器进行人——机对话。控制整个测量过程，并对测试结果进行误差补偿，回归分析，通过绘图仪，打印机输出测试结果。

工作过程简述如下：

（1）    确定采样频率：根据需要在给出的0.05～0.5毫米范围内选用数值，通过采样频率开关输入主机。

（2）    确定采样点数：将被测件的长度通过主机键盘送入主机，主机则自动的按采样频率得出采样点数。

（3）    启动：仪器启动通过主机键盘进行。

（4）    测量：仪器启动后，主机进入工作状态，在接到零位信号后，开始采样，采样结束后，仪器工作台自动返回，四个测量钢球停在停车座上。

（5）    数据处理及输出结果：测量结束后，主机对测量数据进行处理并作回归分析，并按要求的方式输出结果。

四、结    构    说    明

1.    电气拖动采用可控硅调速装置，采样信号由磁尺磁头装置控制。

第一个采样点选用JKD型集成电路接近开关控制。

滚珠丝杠副规格为GQ40×6，螺纹长度1160毫米，丝杆全长1596毫米。

2.床身支承：床身采用三点支承（见图11所示）N、M、P；三点辅助支承D、E、F，在床身六个支承点处装入据有内圆锥面的套。六个φ50毫米的钢球作为中间支承体。支座上N、P为平面；M处为内圆锥表面，D、E、F处为V型支承面，V型体方向按图所示。该结构优点是由于温度变化引起床身变形时，床身可自由移动，以保证床身导轨几何精度变化量小。

3.床身导轨结构型式：

采用平——V导轨，两导轨中心距L＝210毫米，工作台长度L＝1046毫米，在工作台平——V导轨上贴敷聚四氟乙稀（平导轨厚0.5mm，V型导轨0.3mm）。静摩擦系数f_o＝0.5～0.7，动摩擦系数f_d＝0.02～0.03△f＝0.03，使工作台运动的牵引力减小，运动平稳。

4.底座上螺孔布置：根据滚动直线导轨一米以下的不同规格，在底座上设计T型槽，设计专用T型螺母。以保证一个底座可以安装不同规格的工件。

5.工作台微调装置：滚珠丝杆上装有离合器。脱开离合器，即停止机动。通过转动手轮，经过蜗杆蜗轮带动滚珠丝杆旋转，实现工作台微动。

6.测量架：（见图3）

测量架分左、右测量架。右测量架由手轮9旋转，带动整个测量架水平方向移动。旋转手轮12，带动电感测量头，A₃、B₃上下粗调，旋转手轮13，带动B₄、A₄上下粗调。旋转手轮21，调整杠杆高低以便满足不同规格的测量，使杠杆左部端面与钢球接触。杠杆绕支点旋转，采用顶尖式钢珠轴承，该轴承摩擦力小，磨损小，精度高，对温度变化不敏感。

杠杆进行平衡，左测量架结构同右测量架相同。

7.杠杆比调整：（见图12）

为了保证测量精度，应使l₁＝l₂，但W面与钢球接触很难控制位置，使l₁＝l₂发生困难。为此采用下述方案：

见图3所示在调整仪器时，用调节螺钉使杠杆处于水平位置，然后使A₃电感测头与杠杆W面接触，A₄电感测头与杠杆H面接触，调节螺钉与杠杆脱离，两电感测头信号调零。

调整A₃电感头，使读数为a₅（a₅＝0.020mm），A₄电感头读数为a₆，A₆－a₅≤0.01微米，通过调整A₄电感测头的位置实现。

以上杠杆比调整后，在测量工件时不再调整。那么杠杆左端面与钢球接触处是否保证l₁＝l₂呢？可采用下述方法实现：（见图3所示），在A₃电感测头下面的滚道内放入与滚道尺寸接近的量棒，A₃改装球测头，通过测量架水平移动在量棒上找转折点，这就保证l₁＝l₂，取l₁＝l₂＝70毫米，如量棒直径与钢球直径差0.10毫米时，带来误差0.012微米。

8.直线导轨的无效行程：

采样初始位置与工件端面有一个距离l，称l为无效行程。

无效行程l等于直线导轨副回珠器的厚度。因有无效行程l就保证了动态测量的稳定时间，以免造成动态误差。

9.停车座：

停车座截面形状与被测滚动直线导轨相同。停车座安装在底座的适当位置上。安装在电感测头杆上的限位爪对钢球限位。测量结束后，工作台自动返回，测量钢球停在停车座上。

10.限位爪：

限位爪的作用是防止测量钢球在测量过程中沿工件滚道方向移动。两个限位面相互平行并垂直滚道方向。与测量钢球间隙为0.005～0.010毫米。

11.信号感受结构（见图13）：

信号感受结构的作用是感受被测量，拾取原始信号。

工件最大圆弧滚道直径为φ9.906毫米，钢球重2克，电感测头测力40克。钢球受力处于稳定状态。电感测头选用中原量仪厂产品DGC－8ZG／A，以保证测力大致相同。

在测量过程中，测量钢球旋转，钢球的精度对测量带来误差，当滚道圆弧尺寸为φ4.955时，选用02精度等级的钢球（圆度0.15微米），当滚道圆弧尺寸为φ6～φ9.906时，选用0级精度的钢球（圆度0.4微米）。

12.磁栅尺的装调：图14、15、16（Q为床身，G为工作台。）

磁栅尺吊装在支架（25）与（28）上，用四个偏心轴（26）将磁栅尺锁紧。偏心轴（26）位于磁栅尺的2／9L处（L＝1060毫米），调整旋转手轮（24）与（27），使磁栅尺侧面与底面与工作台运动轨迹平行0.015毫米。磁栅尺采用汉江机床厂产品HJSO17。

13.磁头架的装调（图17、18）（磁头为34，其余部分组成磁头架。）

（1）绕Z轴的旋转，通过调整二个螺钉（35）实现。

（2）沿Z轴移动：这个移动是保证磁头与磁栅尺具有一定压力下接触，这压力不大于30克，轻微松开一个螺钉（35），旋转螺母（33），使螺杆（32）带动磁头沿Z轴位移，调整后，再拧紧螺钉（35）。

（3）绕y轴旋转的调整（y轴方向为磁栅尺方向）：

当磁头与磁尺接触产生压力时，磁头可自动绕顶尖（29）旋转。

（4）绕X轴旋转的调整：

调整螺钉（30），底板（31）绕顶尖（K向视图）旋转，当磁头处于正确位置后，锁紧两个螺钉（30）。

14.螺母与工作台联接结构：见图19所示

将螺母座（40）与滚动螺母（39）用螺钉紧固在一起。螺母座（40）的φ30轴与密珠轴承（38），套筒（37）配过盈2～5微米，套筒（37）用螺钉固紧在工作台（36）上。

该结构特点是，工作台不因丝杆弯曲，螺母跳动而受向上推的外力，因而使测量稳定可靠。

五、结    束    语

本实用新型除实现上述功能外，还可以对基准直尺及高精度工件的平行度、直线度，圆柱母线直线度，V型导轨直线度进行动态连续测量。并给圆柱度的高精度动态连续测量提供了重要条件。

本测量原理还能实现对各类机床与各类仪器的工作台、测量架运动的系统误差进行动态连续补偿，以提高机床、仪器的精度。降低了机床、仪器的制造费用及大修费用。

六、附        录

一、直线导轨副结构，如图20所示

技术要求：

滑块运动时（1）K∥C

（2）S∥B

二、直线导轨，如图21所示

技术要求：

（1）    4－R圆弧滚道的直线度

（2）    4－R圆弧滚道对C面平行度

（3）    4－R圆弧滚道对B面平行度

（4）    4－R圆弧滚道的相互平行度

三、导轨精度见下表：

                                                                                            单位：μm

Claims (3)

1、一种由传动系统、微机控制系统和机体组成的直线导轨动态测量仪，其特征是采用了由电感测头、钢球及限位爪所组成的信号感受结构和一米基准直尺。

2、如权利要求1所述的直线导轨动态测量仪，其特征是工作台传动采用了工作台螺母座与传动螺母用螺钉紧固在一起，螺母座的轴与密球轴承、套筒过盈配合，套筒紧固在工作台上。

3、如权利要求1所述的直线导轨动态测量仪，其特征是在底座上装有一个停车座。

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