滚动直线导轨精度自动测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种精度检测装置，特别是一种滚动直线导轨精度自动测量装置及方法。

背景技术：

滚动直线导轨副具有结构简单、动静摩擦系数小、精度保持性好等优点，在机械传动中起到运动部件的承载及运动导向作用。直线导轨是滚动直线导轨副重要组成部分，其制造精度是滚动直线导轨副系统在运动过程中产生波动的主要因素之一，滚道几何尺寸中的适应度的大小直接影响到滚动直线导轨副的力学性能。随着滚动直线导轨副应用领域越来越广泛，且对滚动直线导轨副测试技术要求高，如何精确、快速的对滚动直线导轨进行尺寸精度检测已经成为行业内面临的共同难题。故对导轨形状和位置误差的检测和评定具有极其重要意义。

目前，国内直线导轨制造厂家多采用手工测量方式对导轨的形位误差进行测量，在测量导轨滚道平行度时，将导轨装夹在测量平板的夹具上，将表座与导轨侧基准面和导轨安装平面对齐，并将表头对准导轨滚道面上，然后移动表座进行测量，综合测量的最大和最小值可得出导轨滚道平行度，该测量方法的缺点在于：1)安装导轨、移动表座等工作量大，测量效率低；2)测量时，无法保证测量精度，测量效果差；3)该方法对试验员素质要求高，且测量复性差；4)不同导轨需要配合不同的夹具，所需成本较高。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种滚动直线导轨精度自动测量装置及方法。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：一种滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置，包括床身平台、夹紧装置、龙门架、测量平台、Y轴进给部分、Z轴进给部分和光栅组件，其中被测导轨放置于床身平台上，测量时，通过夹紧装置将其固定并对中在工作台上，床身部件上方设置一对平行的气浮导轨副以实现龙门架与测量平台一起沿被测导轨方向(即Z轴方向)作直线运动，在气浮滑块上固定有龙门架，在龙门架的内侧设置有Y轴进给部分，并在相对的外侧设置Z轴进给部分，Y轴进给部分通过转接板将测量平台与其相连接，可实现测量平台相对于龙门架上下方向(即Y轴方向)运动，Z轴进给部分通过滚轮与齿条间的运动带动龙门架和测量平台沿被测导轨方向(即Z轴 方向)运动，同时带动连接在测量平台和床身平台间的光栅组件同步运动；

所述床身平台包括大理石床身、气浮滑块、齿条支架、齿条、光栅尺、与光栅组件配合使用的直线导轨副，气浮导轨和工作台通过胶粘工艺固连在大理石床身上，齿条支架上设置有用于安装单T型螺母槽的凹槽，在T型螺母槽上放置了两个限位块；

所述夹紧装置是用来自动固定被测导轨，兼具一定的对中效果。摆动气缸工作，其上的主动齿轮带动从动齿轮和同步齿轮同时转动，通过两根连接轴带动其末端固定的一对凸轮从动转动，凸轮置于安装板上，安装板上设有弧形槽用于凸轮导向；

所述龙门架包括龙门主侧架、龙门副侧架和龙门顶盖，龙门主侧架上设置了两个凹槽用于放置两个限位开关，其与T型螺母槽上放置的两个限位块配合使用；龙门副侧架上设置了U型槽便于放置于其上的两个限位开关调节位置，其与测量平台上的限位块配合使用，在龙门主侧架设置有用于固定Z轴进给部分的拱门架；

所述测量平台包括测量架与七个固连在其上的激光位移传感器，分别为主侧传感器、副侧传感器、X向补偿传感器、Y向补偿传感器、下侧传感器、主扭曲传感器、副扭曲传感器，主、副侧传感器在测量不同阶段分别对准导轨侧基准一面和导轨某一截面轮廓，X向补偿传感器对准工作台上X向平面(即A面)，Y向补偿传感器对准工作台上Y向平面(即B面)，下侧传感器透过工作台上的U型槽对准导轨下基准，主、副扭曲传感器对准导轨上平面；

所述Y轴进给部分包括带减速器和制动器的伺服电机、双法兰连接座、联轴器、主轴承座组件、副轴承座组件、滚珠丝杠副、滑块、螺母套和转接板；

所述Z轴进给部分包括伺服电机、减速器、中间连接轴、滚轮，通过中间安装板固定于龙门主侧架上的拱门架上，并通过拱门架上的调隙锲型块调节滚轮与齿条的游隙；

所述光栅组件包括导柱支架、导套支座、钢球导套组件、滑块、读数头、读数头支架；

所述测量架采用了大理石材质并选择了悬臂结构；

所述主侧传感器、副侧传感器、X向补偿传感器、Y向补偿传感器和下侧传感器的型号与尺寸不尽相同，所以在布置传感器位置时，保证传感器射出激光线在同一平面S内，并且该面与测量平台之测量架平分面相平行。

所述主、副扭曲传感器平面S对称布置，并且沿传感器大面垂线方向相距9mm。

所述夹紧装置设置于工作台上，相邻间隔为200mm。

一种基于上述装置的直线导轨精度的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、被测导轨仅以自重放置于工作台平面之上，通过夹紧装置固定并使被测导轨与工作台上U型槽对中；

步骤2、启动Z轴进给部分，使测量平台移动到标准块所在位置；

步骤3、启动传感器使主侧传感器、副测传感器、X向补偿传感器、Y向补偿传感器、下测传感器、主扭曲传感器、副扭曲传感器对准在标准块上，并将传感器置零；

步骤4、Z轴进给部分带动龙门架和测量平台由床身平台一端运动到另外一端，期间在多个位置停止运动，此时Y轴进给部分带动测量平台沿垂直被测导轨方向即Y轴方向往复运动，光栅组件用于控制Z轴运动的实际位置，即记录Z轴坐标位置；

步骤5、利用主侧传感器、副测传感器、X向补偿传感器、Y向补偿传感器、下测传感器、主扭曲传感器、副扭曲传感器对被测导轨进行测量，从而收集测量数据；

步骤6、通过以上数据运用相关算法计算并评定被测导轨的侧面与底面基准直线度、滚道圆弧柱面中心直线度、滚道圆弧柱面中心线相对于侧面和底面基准的平行度、滚道圆弧半径、高度、宽度、扭曲、安装孔孔距。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：1)本实用新型的装置进行测量时，无需用多个螺栓固定，直接放置利用凸轮自动固定即可，试验效率高，安装方便，某种程度上减小了安装成本；2)本实用新型Y轴方向采用高精度滚珠丝杠的传动方式，Z轴方向采用滚轮齿条及气浮导轨的传动方式；滚轮齿条便于调节游隙，能够使正反向限位上不会发生齿背间隙，且可以实现长距离高速化运动；气浮导轨在行走时精度高、振动小，可以在测量平台上下进给时断气，抑制停止时振动；具有高精度、低噪声和低振动的特点，并且能实现平稳运动，能较好满足试验台的运行要求；3)本实用新型的测量装置在运动过程中能利用多个传感器测量数据并处理分析，是动态精度测量，更符合实际测量情况；4)本实用新型在进行测试时操作简单，效率高，重复性强，经济实用性强，且利于推广；5)本实用新型通过激光位移传感器的及时测量，反应了被测导轨全面且又精准的尺寸数据，测试数据连续可靠；6)本实用新型的测量方法与国际接轨，更加先进可靠。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1为本实用新型滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置的总体结构部件图。

图2为本实用新型滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置的床身平台部件图。

图3为本实用新型滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置的大理石床身截面图。

图4为本实用新型滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置测量系统结构示意图。

图5为本实用新型滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置Y轴进给部分结构示意图。

图6为本实用新型滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置夹紧装置结构示意图。

具体实施方式

结合附图，本实用新型的一种滚动直线导轨精度自动测量装置，包括床身平台Ⅰ、夹紧装置Ⅱ、龙门架Ⅲ、测量平台Ⅳ、Y轴进给单元Ⅴ、Z轴进给单元Ⅵ和光栅组件Ⅶ，床身平台Ⅰ上设置龙门架Ⅲ，龙门架Ⅲ外侧设置Z轴进给单元Ⅵ，该Z轴进给单元Ⅵ带动龙门架Ⅲ沿床身平台Ⅰ直线移动，龙门架Ⅲ内侧设置Y轴进给单元Ⅴ和测量平台Ⅳ，Y轴进给单元Ⅴ带动测量平台Ⅳ沿龙门架Ⅲ上下移动，床身平台Ⅰ与测量平台Ⅳ之间设置光栅组件Ⅶ，用于测量测量平台Ⅳ的位置；床身平台Ⅰ上还设置夹紧装置Ⅱ，用于夹紧被测导轨Ⅸ。

所述床身平台Ⅰ包括大理石床身1、齿条支架2、齿条3、光栅尺4、直线导轨5、气浮滑块6、气浮导轨7和工作台8，大理石床身1上固连相互平行的两条气浮导轨7，每条气浮导轨7上均设置可沿导轨滑动的气浮滑块6，大理石床身1上还固连齿条支架2和工作台8，所述固连齿条支架2和工作台8相互平行，工作台8位于两条气浮导轨7之间并与之相互平行，齿条支架2位于一条气浮导轨7的外侧，齿条支架2上设置齿条3，大理石床身1上还固连直线导轨5，该直线导轨5位于工作台8的下方，且与工作台8平行，直线导轨5的下方设置光栅尺4，该光栅尺4与直线导轨5相互平行。

所述夹紧装置Ⅱ包括摆动气缸47、主动齿轮48、从动齿轮50、同步齿轮49、第一连接轴51-1、第二连接轴51-2、安装板52、第一凸轮53-1和第二凸轮53-2，摆动气缸47轴端安装主动齿轮48，第一连接轴51-1的末端固连从动齿轮50，第一连接轴51-1的另一端设置第一凸轮53-1，第二连接轴51-2的末端固连同步齿轮49，第二连接轴51-2的另一端固连第二凸轮53-2，所述主动齿轮48与从动齿轮50相啮合，从动齿轮50与同步齿轮49相啮合，上述两根连接轴均穿过安装板52，该安装板固连于床身平台Ⅰ的工作台8上，上述两个凸轮53位于安装板52的上方。

所述龙门架Ⅲ包括龙门主侧架10、龙门副侧架25、龙门顶盖19、拱门架14、调隙锲型块17、Y轴限位开关24和Z轴限位开关11；

龙门顶盖19的两端分别设置龙门主侧架10和龙门副侧架25，龙门主侧架10和龙门副侧架25的另一端分别固连于床身平台Ⅰ上的一对气浮滑块6上，龙门主侧架10下方最外侧设置一对Z轴限位开关11，龙门主侧架10的外侧还对中设置了用于放置Z轴进给单元Ⅵ的拱门架14，该拱门架上还设置了一对调隙锲型块17，龙门副侧架25的内侧设置一对Y轴限位开关24，该对Y轴限位开关位于龙门副侧架25的中心轴上。

所述测量平台Ⅳ包括测量架20、Y轴限位块29、主侧传感器26、副侧传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23、下侧传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22；

测量架20通过Y轴进给单元Ⅴ与龙门主侧架10相连，测量架20上对称设置主侧传感器26、副侧传感器28，上述两个传感器相对设置，X向补偿传感器27位于主侧传感器26的下方并指向工作台8的侧面，该侧面为基准面，测量架20的顶部设置Y向补偿传感器23、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22，所述主扭曲传感器21、副扭曲传感器22指向被测导轨的上表面，Y向补偿传感器23指向工作台8的上基准面，测量架20上还设置下侧传感器30，指向被测导轨底面，测量架20上还设置与Y轴限位开关24配合使用的Y轴限位块29。

所述Y轴进给部分Ⅴ包括Y轴伺服电机39、双法兰连接座40、联轴器41、主轴承座组件42、滚珠丝杠副43、螺母套44、滑块45、副轴承座组件46和转接板37；

所述Y轴伺服电机39的输出轴通过联轴器41与滚珠丝杠副43的丝杠相连，所述双法兰连接座40一端与电机相连，另一端与主轴承座组件42相连，主轴承座组件42和副轴承座组件46用于支持Y轴进给部分Ⅴ，转接板37的中心位置设置螺母套44，该螺母套与滚珠丝杠副43的螺母相配合，转接板37底面两侧设置滑块45，该滑块可在龙门主侧架10的导轨38上滑动；转接板37的顶面固连测量平台Ⅳ。

所述Z轴进给部分Ⅵ包括伺服电机18、减速器16、中间连接轴13、滚轮12，中间安装板15固定于龙门架Ⅲ上的拱门架14上方，且中间安装板15的内侧锲型面与龙门架Ⅲ上的调隙锲型块17的锲型面相重合，中间连接轴13小径端与滚轮12连接，滚轮12与床身平台Ⅰ上的齿条3相配合，中间连接轴13的另一端与减速器16相连，减速器16的另一端与伺服电机18的输出轴相连。

所述光栅组件Ⅶ包括导柱支架31、导套支座33、钢球导套组件36、滑块32、读数头34、读数头支架35，导柱支架31固连于测量平台Ⅳ上，导柱支架31上设置钢球导 套组件36，钢球导套组件36与导套支座33过盈连接，导套支座33固连于滑块32上，滑块32与床身平台Ⅰ上的直线导轨5相配合，导套支座33还固连有读数头支架35，读数头支架35上设置读数头34。

所述测量架20为大理石材质并为悬臂结构。

一种基于上述装置的滚动直线导轨精度测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将被测导轨Ⅸ仅以自重放置于工作台8平面之上，通过夹紧装置Ⅱ固定并实现被测导轨Ⅸ与工作台8上U型槽平分面对中；

步骤2、启动Z轴进给部分Ⅵ，使测量平台IV移动到标准导轨Ⅹ所在位置；

步骤3、启动传感器使主侧传感器26、副测传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23、下测传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22对准在标准导轨Ⅹ上，并将传感器置零；

步骤4、Z轴进给部分Ⅵ带动龙门架Ⅲ和测量平台Ⅳ由床身平台Ⅰ一端运动到另外一端，期间在多个位置停止运动，此时Y轴进给部分Ⅴ带动测量平台Ⅳ沿垂直被测导轨IX方向即Y轴方向往复运动，光栅组件Ⅶ用于控制沿Z轴运动的实际位置，即记录Z轴坐标位置；

步骤5、利用主侧传感器26、副测传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23、下测传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22对被测导轨Ⅸ进行测量，从而收集测量数据；

步骤6、通过以上数据确定被测导轨Ⅸ的侧面与底面基准直线度、滚道圆弧柱面中心直线度、滚道圆弧柱面中心线相对于侧面和底面基准的平行度、滚道圆弧半径、高度、宽度、扭曲、安装孔孔距，从而完成测量。

下面结合实施例对本实用新型做进一步详细的描述：

实施例

结合图1和图2，一种滚动直线导轨尺寸精度自动测量装置，包括床身平台Ⅰ、夹紧装置Ⅱ、龙门架Ⅲ、测量平台Ⅳ、Y轴进给部分Ⅴ、Z轴进给部分Ⅵ和光栅组件Ⅶ，其中被测导轨IX放置于床身平台Ⅰ上，测量时，通过夹紧装置Ⅱ将其固定并对中在工作台8上，床身部件Ⅰ上方设置一对平行的气浮导轨副6、7以实现龙门架Ⅲ与测量平台Ⅳ一起沿被测导轨Ⅸ方向(即Z轴方向)作直线运动，在气浮滑块6上固定有龙门架Ⅲ，在龙门架Ⅲ的内侧设置有Y轴进给部分Ⅴ，并在相对的外侧设置Z轴进给部分Ⅵ，Y轴 进给部分Ⅴ通过转接板37将测量平台Ⅳ与其相连接，可实现测量平台Ⅳ相对于龙门架Ⅲ上下(即Y轴方向)运动，Z轴进给部分通过滚轮11与齿条3间的运动带动龙门架Ⅲ和测量平台Ⅳ沿被测导轨Ⅸ方向(即Z轴方向)运动，同时带动连接在测量平台Ⅳ和床身平台Ⅰ间的光栅组件Ⅶ同步运动；

结合图2，所述床身平台Ⅰ包括大理石床身1、气浮滑块6、齿条支架2、齿条3、光栅尺4、与光栅组件Ⅶ配合使用的直线导轨副5，气浮导轨7和工作台8通过胶粘工艺固连在大理石床身1上，齿条支架2上设置有用于安装单T型螺母槽9的凹槽，在T型螺母槽上放置了两个限位块；

结合图5，所述夹紧装置Ⅱ是用来自动固定被测导轨IX，兼具一定的对中效果。摆动气缸47工作，其上的主动齿轮48带动从动齿轮50和同步齿轮49同时转动，通过两根连接轴51-1、51-2带动其末端固定的一对凸轮53-1、53-2同步转动，凸轮置于安装板52上，安装板上设有弧形槽用于凸轮导向；

结合图3，所述龙门架Ⅲ包括龙门主侧架10、龙门副侧架25和龙门顶盖19，龙门主侧架10上设置了两个凹槽用于放置两个限位开关11，其与T型螺母槽9上放置的两个限位块配合使用；龙门副侧架25上设置了U型槽便于放置于其上的两个限位开关24调节位置，其与测量平台上Ⅳ的限位块27配合使用，在龙门主侧架10设置有用于固定Z轴进给部分VI的拱门架14；

结合图3、4，所述测量平台Ⅳ包括测量架20与七个固连在其上的激光位移传感器，分别为主侧传感器26、副侧传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23、下侧传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22，主、副侧传感器26、28在测量不同阶段分别对准被测导轨Ⅸ侧基准一面和被测导轨IX某一截面轮廓，X向补偿传感器27对准工作台8上X向平面面(即A面)，Y向补偿传感器23对准工作台8上Y向平面(即B面)，下侧传感器30透过工作台8上的U型槽对准被测导轨IX下基准，主、副扭曲传感器21、22对准被测导轨IX上平面；

结合图4，所述Y轴进给部分Ⅴ包括带减速器和制动器的伺服电机39、双法兰连接座40、联轴器41、主轴承座组件42、副轴承座组件46、滚珠丝杠副43、滑块45、螺母套44和转接板37。

结合图3，所述Z轴进给部分Ⅵ包括伺服电机18、减速器16、中间连接轴13、滚轮12，通过中间安装板15固定于龙门主侧架10上的拱门架14上，并通过拱门架14上的调隙 锲型块17调节滚轮12与齿条3的游隙；

结合图3，所述光栅组件Ⅶ包括导柱支架31、导套支座33、钢球导套组件36、滑块32、读数头34、读数头支架35。

所述测量架20采用了大理石材质并选择了悬臂结构。

所述主侧传感器26、副侧传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23和下侧传感器30的型号与尺寸不尽相同，所以在布置传感器位置时，保证传感器射出激光线在同一平面S内，并且该面与测量平台Ⅳ之测量架20平分面相平行。

所述主、副扭曲传感器21、22相对于权利要求10所述平面S对称布置，并且沿传感器大面垂线方向相距9mm。所述夹紧装置Ⅱ设置于工作台8上，相邻间隔为200mm。

基于上述装置的直线导轨精度的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、被测导轨IX仅以自重放置于工作台8平面之上，通过夹紧装置Ⅱ固定并使被测导轨Ⅸ与工作台8上U型槽对中；

步骤2、启动Z轴进给部分VI，使测量平台IV移动到标准导轨Ⅹ所在位置；

步骤3、启动传感器使主侧传感器26、副侧传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23、下侧传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22对准在标准块X上，并将传感器置零；

步骤4、Z轴进给部分Ⅵ带动龙门架Ⅲ和测量平台Ⅳ由床身平台Ⅰ一端运动到另外一端，期间在多个位置停止运动，此时Y轴进给部分Ⅴ带动测量平台Ⅳ沿垂直被测导轨IX方向即Y轴方向往复运动，光栅组件Ⅶ用于控制Z轴运动的实际位置，即记录Z轴坐标位置；

步骤5、利用主侧传感器26、副侧传感器28、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23、下侧传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22对被测导轨Ⅸ进行测量，从而收集测量数据；

步骤6、通过以上数据运用相关算法计算并评定被测导轨Ⅸ的侧面与底面基准直线度、滚道圆弧柱面中心直线度、滚道圆弧柱面中心线相对于侧面和底面基准的平行度、滚道圆弧半径、高度、宽度、扭曲、安装孔孔距。

本实用新型装置的工作过程为：

如图1、2所示，大理石床身1中部设置有两条凹槽，分别用于提供空间给Y轴进给部分Ⅴ的伺服电机39和光栅组件Ⅶ。大理石床身1上侧一边固定齿条支架2，同时齿 条支架2上装有齿条3，通过与滚轮12作用以及气浮滑块6的导向来保证龙门架III和测量平台IV沿被测导轨Ⅸ方向运动。工作台8顶面嵌有一列安装板52，其上的弧形槽用于凸轮53的导向。

如图1、4所示，Y轴进给部分Ⅴ中带减速器和制动器的伺服电机39启动，通过联轴器41带动滚珠丝杠43运动。利用套在螺母上的螺母套44带动转接板37及其上固定的测量平台Ⅳ作Y轴方向上的直线运动。Z轴进给部分中的伺服电机18通过中间连接轴13驱动滚轮12运动，利用滚轮12齿条3间传动，同时在气浮导轨副6 7的导向下，使龙门架Ⅲ和测量平台Ⅳ沿被测导轨Ⅸ方向作直线运动。

如图1、3、4所示，测量平台Ⅳ用测量架20上固定的7个激光位移传感器组成。测量平台Ⅳ顶面固定三个激光位移传感器，其中主扭曲传感器21、副扭曲传感器22错开背对放置：沿被测导轨Ⅸ宽度方向距离为9mm；Y向补偿传感器23对准工作台8的B面，用于基准补偿。主侧传感器26、X向补偿传感器27位于同一侧，其中主侧传感器26对准在被测导轨Ⅸ相对应的侧面，X向补偿传感器27对准工作台8的B面，用于基准补偿。另一侧固定副侧传感器28，对准在被测导轨Ⅸ相应的侧面，下端的下侧传感器30对准透过工作台8上的U型槽对准在被测导轨Ⅸ的下基准面；

如图1、4所示，上述测量装置对直线导轨精度的自动化测量方法为：Z轴进给部分Ⅵ带动龙门架Ⅲ和测量平台Ⅳ由床身平台Ⅰ一端运动到另外一端的同时，Y轴进给部分Ⅴ带动测量平台Ⅳ沿Y轴方向运动，测量平台Ⅳ中的7个激光位移传感器作相应的运动；利用主侧传感器26、副侧传感器28、下侧传感器30、主扭曲传感器21、副扭曲传感器22、X向补偿传感器27、Y向补偿传感器23以及光栅尺4和读数头34来获取各个位置测量点的空间坐标，进而对所得数据进行相关处理，可得到步骤6所述直线导轨相关形位误差。

如图1、6所示，夹紧系统Ⅱ中的被动齿轮50和同步齿轮49利用摆动气缸47驱动。安装板52、第一连接轴51-1、第二连接轴51-2、从动齿轮50和同步齿轮49位于工作台8下方的加工槽中，摆动气缸47工作，主动齿轮48转动，带动从动齿轮50和同步齿轮49转动，通过第一连接轴51-1、第二连接轴51-2,从而带动第一凸轮53-1和第二凸轮53-2同步转动，固定被测导轨Ⅸ，完成夹紧动作。

由上可知，本实用新型的装置能够测试滚动直线导轨尺寸精度，动态测量，试验效率高，测量数据真实可靠。