一种测量直线导轨精度的装置及非接触式测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量直线导轨精度的装置及非接触式测量方法，所述装置包括测量架体、设置在测量架体上的测量传感器和高精度平尺，所述高精度平尺和被测导轨均穿过测量架体，测量传感器的数量为七个，其中第一测量传感器和第二测量传感器分别对准高精度平尺的顶面和侧面，第三测量传感器对准被测导轨的基准侧面，第四测量传感器对准被测导轨的基准底面，第五测量传感器对准被测导轨的非基准侧面，第六测量传感器和第七测量传感器同时对准被测导轨的顶面，该两个测量传感器关于被测导轨的中心面对称。本发明采用绝对测量与相对测量相结合，并使用非接触式测量传感器获得高精度的测量值，具有通用性好，效率高等特点。
【专利说明】
一种测量直线导轨精度的装置及非接触式测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于直线导轨测量领域，特别是一种测量直线导轨精度的装置及非接触式 测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前，直线导轨精度测量大多采用手工测量或接触式传感器进行测量，手工测量 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，测量的最大和最小值的差 值即为导轨滚道平行度误差，该方法需要繁琐的装夹工作，对试验员素质要求高且测量结 果重复性差；中国发明公开号CN103438839A，名称为:一种直线导轨精度自动测量装置及其 测量方法，该专利介绍了使用气动接触式传感器测量导轨精度，该传感器是在接触式传感 器上加装了气动部件，使其在非工作期间不接触被测物体，测量时加装了该种传感器的标 准滑块以一定的距离间隔移动，实现对被测导轨高度和平行度的测量，但是该方法测量不 同型号导轨时需要制作相应的标准导轨和标准滑块，增加经济成本和维护费用。
[0003] 综上所述，现阶段使用的各种导轨精度测量仪器覆盖的测量项目少，尤其是针对 滚道相关精度的测量较少，测量效率与测量精度、重复性都有待提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种测量滚动直线导轨精度的装置及非接触式测量方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种测量直线导轨精度的装置，包括测量架 体、设置在测量架体上的测量传感器和高精度平尺，所述高精度平尺和被测导轨均穿过测 量架体，测量传感器的数量为七个，其中第一测量传感器和第二测量传感器分别对准高精 度平尺的顶面和侧面，第三测量传感器对准被测导轨的基准侧面，第四测量传感器对准被 测导轨的基准底面，第五测量传感器对准被测导轨的非基准侧面，第六测量传感器和第七 测量传感器同时对准被测导轨的顶面，该两个测量传感器关于被测导轨的中心面对称。
[0006] -种基于上述装置的非接触式测量方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1、构建坐标系，具体为:沿被测导轨长度方向为X轴，沿被测导轨宽度方向为Y 轴，沿与被测导轨底面基准垂直方向为Z轴；
[0008] 步骤2、测量平台相对被测导轨运动，在运动过程中测量传感器实时采集被测导轨 的数据。
[0009] 步骤3、对测量传感器采集到的数据进行分离处理，将数据分为沿X轴运动时的测 量数据和沿Z轴运动时的测量数据；
[0010] 步骤4、对测量传感器的测量数据进行运动补偿；
[0011] 步骤5、对第三测量传感器和第五测量传感器沿Z轴运动时的测量数据进行处理， 获得导轨截面上滚道圆弧的半径和圆心；
[0012] 步骤6、计算被测导轨精度误差，具体包括滚道半径、滚道平行度、滚道直线度、侧 面基准直线度、底面基准直线度、等高、等宽和扭曲。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的装置进行测量时，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)本发明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;3)本发明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;4)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;5)本发明的测量方式与国际接轨，更加先进可靠。
【附图说明】
[0014] 图1为测量滚动直线导轨精度的装置的传感器布局图。
【具体实施方式】
[0015] 结合图1，一种测量直线导轨精度的装置，包括测量架体1、设置在测量架体上的测 量传感器和高精度平尺3,所述高精度平尺3和被测导轨4均穿过测量架体1，测量传感器的 数量为七个，其中第一测量传感器2-1和第二测量传感器2-2分别对准高精度平尺3的顶面 和侧面，第三测量传感器2-3对准被测导轨4的基准侧面，第四测量传感器2-4对准被测导轨 4的基准底面，第五测量传感器2-5对准被测导轨4的非基准侧面，第六测量传感器2-6和第 七测量传感器2-7同时对准被测导轨4的顶面，该两个测量传感器关于被测导轨4的中心面 对称。
[0016] 所述七个测量传感器位于同一平面上。
[0017] 所述被测导轨4与高精度平尺3相互平行。
[0018] 所述测量架体4运动时的位置Xt通过位置传感器获得，其中t为时间变量。
[0019] -种基于上述装置的非接触式测量方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤1、构建坐标系，具体为:沿被测导轨长度方向为X轴，沿被测导轨宽度方向为Y 轴，沿与被测导轨底面基准垂直方向为Z轴；
[0021] 步骤2、测量平台相对被测导轨4运动，在运动过程中测量传感器实时采集被测导 轨4的数据。
[0022] 测量平台相对被测导轨4运动时，包括沿X轴的直线运动和沿Z轴的直线运动，上述 两轴运动相互独立，每当沿X轴运动到设定距离Si = i ? L时，停止该方向的运动，启动沿Z轴 的往返运动，行程为2h，如此运动至到达设定行程为止;其中L为单位移动间隔，h为被测导 轨高度，（i = 1，2. . .m-1)，m为间隔数;其中第一测量传感器2-1、第二测量传感器2-2、第三 测量传感器2-3、第四测量传感器2-4、第五测量传感器2-5、第六测量传感器2-6和第七测量 传感器2-7对准的测量点分别为？ 1、？2、？3、？4、？5、？6、？7;7个测量传感器实时记录测量距离， 分别为Sl{si(Xt，Zt) }、S2{s2(Xt，Zt) }、S3{s3(Xt，Zt) }、S4{s4(Xt，Zt) }、S5{s5(Xt，Zt) }、S6{s6(Xt, Zt) }、S7{s7(Xt，Zt)}〇
[0023]步骤3、对测量传感器采集到的数据进行分离处理，将数据分为沿X轴运动时的测 量数据和沿Z轴运动时的测量数据。
[0024]对测量传感器采集到的数据进行分离处理时，采用公式
丨分离出测量点P3、P4、P5、P 6、P7中沿X轴运动部分的坐标集 PX3，PX4、PX5、PX6、PX7，其中 n为测量点数；
[0025]
分离出测量点P3、P5在Xt=i ? L对应的导轨截 面时沿2轴运动部分的点集?￥13、?￥15(1 = 1，2...111)，其中八为时间变量，€[、0为一给定正值。 例如，在某次测量时，xt的单位为毫米，zt的单位也为毫米，则a取值为1，0取值为1。
[0026] 步骤4、对测量传感器的测量数据进行运动补偿。具体为：
[0027] 设高精度平尺基座base坐标系为XwYwZw0,测量平台坐标系platform为XtYtZtO,则 通过坐标转换可得测量点在base坐标系下的坐标：
[0028]第三测量传感器2-3所指向的测量点的坐标为P^UTjSs-Sd'S/)，
[0029] 第四测量传感器2-4所指向的测量点的坐标为P4 = (XT，S2T，（ SdS4)T)，
[0030]第五测量传感器2-5所指向的测量点的坐标为P^UTjSs+Sd'S/)，
[0031 ]第六测量传感器2-6所指向的测量点的坐标为P6= (XT，S2T，（S6-S〇T)，
[0032]第七测量传感器2-7所指向的测量点的坐标为P7 = (XT，S2T，（S7-S:)T)。
[0033] 步骤5、对第三测量传感器2-3和第五测量传感器2-5沿Z轴运动时的测量数据进行 处理，获得导轨截面上滚道圆弧的半径、圆心。具体为：
[0034]利用图像工具显示PYAPYAi:^...m)的截面轮廓图像，之后选择上下滚道轮 廓区间hv)、最后运用最小二乘拟合圆算法对滚道轮廓区间内数据进行处理， 得到上下滚道圆弧半径<、杧，.圆心坐标这(《?))。
[0035]步骤6、利用相关算法计算并评价被测导轨精度误差，包括滚道半径、滚道平行度、 滚道直线度、侧面基准直线度、底面基准直线度、等高、等宽、扭曲。具体为：
[0036]导轨半径由公式 R = average[Ri，R2,........,Rn-i,Rn]求得；
[0037] 导轨侧面基准和底面基准直线度误差由国家标准GBT 11336-2004中提供的直线 度误差算法对坐标集PX3和PX4计算得出；
[0038]导轨滚道直线度由国家标准GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐 标集弘(31,1^，(^)计算得出；
[0039]导轨滚道相对于导轨自身侧面和底面基准的平行度误差通过下述方法计算得到： 取心(~)一 =1〇/，砧.以，),，〇1卜(，^_4>、〇/，心(，丄〇)1、0=匕，送，…，〇!]'，令 T = Q-E-F，导轨滚道相对于导轨自身侧面和底面基准的平行度误差由国家标准GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐标集T计算得出；
[0040]导轨滚道间平行度误差通过下述方法计算得到：取以Vf-0iV；〇V = 3,5)， {?35/ = 03/ -05/ (v/ = 〇.,丨）,导轨一侧上下滚道平行度误差由国家标准GBT 11336-2004中提 供的空间直线度误差算法对坐标系计算得出、导轨上滚道或下滚道平行度由国家标准 GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐标系&35/计算得出；
[0042] 导轨等宽计算由矩阵W=PX3+PX^二列中最大值得出；
[0043] 导轨扭曲由公式
得出，其中Lw为第六测量传感器2-6和第七测 量传感器2-7沿被测导轨4宽度方向的距离。
[0044] 由上可知，本发明的一种测量直线导轨精度的装置及非接触式测量方法，该方法 可对X型或0型直线导轨精度进行测量，通过5个非接触式测量传感器、XZ两轴移动滑台、XZ 轴位置传感器以及其他必要装置组成坐标测量系统，并使用2个非接触式测量传感器对准 两面窄长的高精度大理石平尺用于移动滑台的运动补偿，另外通过激光干涉仪测量高精度 大理石平尺直线度可以获得更好的补偿效果。所述测量平台可测量被测导轨表面测点相对 于测量平台的绝对坐标值，所述测量平台的运动包括沿被测导轨方向的进给运动以及沿竖 直方向的进给运动，运用绝对测量与相对测量原理对获得的坐标点集进行数据处理，求出 被测导轨精度值，包括滚道半径、滚道平行度、滚道直线度、侧面基准直线度、底面基准直线 度、等高、等宽、扭曲。本发明采用绝对测量与相对测量相结合，并使用非接触式测量传感器 获得高精度的测量值，具有通用性好，效率高等特点。
【主权项】
1. 一种测量直线导轨精度的装置，其特征在于，包括测量架体[1]、设置在测量架体上 的测量传感器和高精度平尺[3]，所述高精度平尺[3]和被测导轨[4]均穿过测量架体[1]， 测量传感器的数量为七个，其中第一测量传感器[2-1]和第二测量传感器[2-2]分别对准高 精度平尺[3]的顶面和侧面，第三测量传感器[2-3]对准被测导轨[4]的基准侧面，第四测量 传感器[2-4]对准被测导轨[4]的基准底面，第五测量传感器[2-5]对准被测导轨[4]的非基 准侧面，第六测量传感器[2-6]和第七测量传感器[2-7]同时对准被测导轨[4]的顶面，该两 个测量传感器关于被测导轨[4]的中心面对称。2. 根据权利要求1所述的测量直线导轨精度的装置，其特征在于，所述七个测量传感器 位于同一平面上。3. 根据权利要求1所述的测量直线导轨精度的装置，其特征在于，被测导轨[4]与高精 度平尺[3]相互平行。4. 根据权利要求1所述的测量直线导轨精度的装置，其特征在于，测量架体[4]运动时 的位置Xt通过位置传感器获得，其中t为时间变量。5. -种基于权利要求1所述装置的非接触式测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、构建坐标系，具体为:沿被测导轨长度方向为X轴，沿被测导轨宽度方向为Y轴， 沿与被测导轨底面基准垂直方向为Z轴； 步骤2、测量平台相对被测导轨[4]运动，在运动过程中测量传感器实时采集被测导轨 [4]的数据； 步骤3、对测量传感器采集到的数据进行分离处理，将数据分为沿X轴运动时的测量数 据和沿Z轴运动时的测量数据； 步骤4、对测量传感器的测量数据进行运动补偿； 步骤5、对第三测量传感器[2-3]和第五测量传感器[2-5]沿Z轴运动时的测量数据进行 处理，获得导轨截面上滚道圆弧的半径和圆心； 步骤6、计算被测导轨精度误差，具体包括滚道半径、滚道平行度、滚道直线度、侧面基 准直线度、底面基准直线度、等高、等宽和扭曲。6. 根据权利要求5所述的非接触式测量方法，其特征在于，步骤2测量平台相对被测导 轨[4]运动时，包括沿X轴的直线运动和沿Z轴的直线运动，上述两轴运动相互独立，每当沿X 轴运动到设定距离Si = i ? L时，停止该方向的运动，启动沿Z轴的往返运动，行程为2h，如此 运动至到达设定行程为止;其中L为单位移动间隔，h为被测导轨高度，（i = l，2...m-l)，n^ 间隔数;其中第一测量传感器[2-1]、第二测量传感器[2-2]、第三测量传感器[2-3]、第四测 量传感器[2-4 ]、第五测量传感器[2-5 ]、第六测量传感器[2-6 ]和第七测量传感器[2-7 ]对 准的测量点分别为?1、？2、？3、？4、？5、？6、？7;7个测量传感器实时记录测量距离，分别为3 1{>1 (Xt，Zt)}、S2{s2(Xt，Zt)}、S3{s3(Xt，Zt)}、S4{s4(Xt，Zt)}、S5{s5(Xt，Zt)}、S6{s6(Xt，Zt) }、S7(S7 (xt,Zt)}〇7. 根据权利要求5所述的非接触式测量方法，其特征在于，步骤3对测量传感器采集到 的数据进行分离处理时，分离出测量点P3、P4、 P5、P6、P7中沿X轴运动部分的坐标集PX3，PX4、PX 5、PX6、PX7，其中n为测量点数；分离出测量点？3、？5在1*=1?1对应的导轨截面时 沿Z轴运动部分的点集PYi3、PYi5(i = 1，2. . .m)，其中，t为时间变量，a为一给定正值。8. 根据权利要求5所述的非接触式测量方法，其特征在于，步骤4对测量传感器的测量 数据进行运动补偿具体为： 设高精度平尺基座base坐标系为XwYwZwO，测量平台坐标系platform为XtYtZtO，则通过 坐标转换可得测量点在bas e坐标系下的坐标： 第三测量传感器[2-3]所指向的测量点的坐标为P3 = (XT，（S3-S2)T，SJ)， 第四测量传感器[2-4]所指向的测量点的坐标为PfU'sKSi+S#)， 第五测量传感器[2-5]所指向的测量点的坐标为P5=(XT，（&+&)'&，， 第六测量传感器[2-6]所指向的测量点的坐标为PfU'sKSs-S^)， 第七测量传感器[2-7 ]所指向的测量点的坐标为P7 = (XT，S2t，（ S7-S:)T)。9. 根据权利要求5所述的非接触式测量方法，其特征在于，步骤5中确定导轨截面上滚 道圆弧的半径和圆心具体为： 利用图像工具显示?^、？￥15(1 = 1，2...!11)的截面轮廓图像，之后选择上下滚道轮廓区 间,最后运用最小二乘拟合圆算法对滚道轮廓区间内数据进行处理，得到上 下滚道圆弧半径矽、乾，圆心坐标这10. 根据权利要求5所述的非接触式测量方法，其特征在于，步骤6中计算被测导轨精度 误差，具体为： 导轨半径由公式R=average[Ri，R2,........,Rn-i,Rn]求得； 导轨侧面基准和底面基准直线度误差由国家标准GBT 11336-2004中提供的直线度误 差算法对坐标集PX3和PX4计算得出； 导轨滚道直线度由国家标准GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐标集Qi (ai,bi,ci)计算得出； 导轨滚道相对于导轨自身侧面和底面基准的平行度误差通过下述方法计算得到：取，令 T = Q-E-F，导轨滚道相对于导轨自身侧面和底面基准的平行度误差由国家标准GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐标集T计算得出； 导轨滚道间平行度误差通过下述方法计算得到:取 ?V,n -(具1 (A~= 3,5)，仍5/ = 03卜05/ (./ = (U),导轨一侧上下滚道平行度误差由 国家标准GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐标系计算得出、导轨上滚 道或下滚道平行度由国家标准GBT 11336-2004中提供的空间直线度误差算法对坐标系 03:匀计算得出；导轨等宽计算由矩阵W=PX3+PX^二列中最大值得出； 导轨扭曲由公式得出，其中Lw为第六测量传感器[2-6]和第七测量 传感器[2-7]沿被测导轨[4]宽度方向的距离。
【文档编号】G01B11/16GK106052599SQ201610654865
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月10日 公开号201610654865.9, CN 106052599 A, CN 106052599A, CN 201610654865, CN-A-106052599, CN106052599 A, CN106052599A, CN201610654865, CN201610654865.9
【发明人】欧屹, 王柳, 冯虎田
【申请人】南京理工大学, 张家港斯克斯精密机械科技有限公司