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一种导轨运动滚转 角误差实时测量装置及方法

阅读：702发布：2024-01-04

专利汇可以提供一种导轨运动滚转角误差实时测量装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于精密机械误差测量领域，具体涉及一种导轨运动滚转角误差实时测量装置及方法。该装置由运动平台上的两个相距一定距离的电涡流位移传感器组成，电涡流传感器测量导轨不同位置在运动过程中相对基准直线的位移变化。在测量过程中，电涡流位移传感器可以测得运动平台不同位置的直线度误差，两个电涡流位移传感器通过直线度测量间接实现滚转角误差测量，即在消除基准面平面度误差的影响下，通过将两个电涡流位移传感器的输出差，除以两个位移传感器之间的间距，就可以实时得到滚转角误差。本发明实现了运动导轨滚转角误差的高精度、实时、非接触测量。，下面是一种导轨运动滚转角误差实时测量装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种导轨运动滚转角误差实时测量装置，其特征在于，所述的导轨运动滚转角误差实时测量装置包括导轨(5)、运动平台(4)、两个电涡流位移传感器、两个连接板、导轨座(6)和水平仪(3)；所述的导轨(5)安装在导轨座(6)上，所述的运动平台(4)安装在导轨(5)上，沿导轨(5)滑动；所述的水平仪(3)固定在运动平台(4)的上表面；连接板A(1)和连接板B(8)对称安装在运动平台(4)的两侧，电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B分别竖直安装在连接板A(1)和连接板B(8)上；导轨座(6)上设有两条平行的扫描直线，位于运动平台(4)的两侧，且电涡流位移传感器探头A(2)和电涡流位移传感器探头B(7)分别位于两条扫描直线上方，水平仪(3)的测量轴线与电涡流位移传感器探头A(2)和电涡流位移传感器探头B(7)的连线平行。
2.一种导轨运动滚转角误差实时测量方法，采用权利要求1所述的装置进行测量，其特征在于，步骤如下：
步骤1：标定探头扫描的两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量
步骤1-1：将电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B分别嵌入连接板A(1)和连接板B(8)；
步骤1-2：调整电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B，使电涡流位移传感器探头A(2)和电涡流位移传感器探头B(7)与运动平台(4)和对应的扫描直线垂直且两个探头相互平行；
步骤1-3：将水平仪(3)固定在运动平台(4)上，使水平仪(3)的测量轴线与两个电涡流位移传感器探头的连线平行；两个电涡流位移传感器探头距离为L；
步骤1-4：从导轨(5)的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录水平仪(3)和两个电涡流位移传感器的数值；
步骤1-5：电涡流位移传感器探头扫描的导轨座(6)上两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量标定：由两个电涡流位移传感器的输出差除以二者的间距，然后由水平仪(3)的读数减去此数值，计算出电涡流位移传感器探头扫描的两条直线对应各点高度差引起的角度变化量；具体如下：
从初始点到测量点，电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B的读数变化分别为Δz1i和Δz2i，i为测量点的编号，i＝1,2,3…,n，Δz1i和Δz2i的差除以两个电涡流位移传感器探头之间的间距L，得到未进行误差补偿的滚转角测量数据，见公式(1)：
其中，为未进行误差补偿的滚转角测量数据，包含扫描直线A与扫描直线B的高度差引起的角度变化量；
两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量μi为：
其中，γi为水平仪测量数据；
步骤1-6：根据步骤1-5得出的高度差引起的角度变化量，基于最小二乘原理，建立最优拟合函数，拟合计算出两条扫描直线所有点高度差引起的角度变化量；标定后的两条扫描直线作为导轨滚转角测量的基准直线，用于测量导轨运动过程中任意位置滚转角；具体如下：
标定N个点，记导轨(5)运动位置yi处的高度差引起的角度变化量为μ(yi)，i＝1,2,
3,…,n，每个yi对应一个μ(yi)；建立最优谐波拟合函数μ(y)见公式(3)：
其中，μ(y)＝[μ(y1)，μ(y2)，…，μ(yi)，…，μ(yn)]，y＝[y1，y2，…，yi，…，yn]，m为可以计算得到高度差谐波的最
高阶数，Ak和Bk为第k阶误差谐波系数，Ck和为第k阶误差谐波的幅值和相位；
导轨滚转角误差测量时，可以根据公式(3)求出两条扫描直线任意点高度差引起的角度变化量μ(yj)(j＝1,2,3…)，yj表示具体测量时导轨(5)任意运动位置；
步骤2：导轨滚转角误差测量
步骤2-1：将运动平台(4)沿导轨(5)滑动，两个电涡流位移传感器探头分别扫描各自对应的基准直线；
步骤2-2：导轨(5)运动过程中，任意位置处两个电涡流位移传感器的输出差除以二者的间距，再通过误差补偿的方法将两条基准直线对应各点的高度差引起的角度变化量进行补偿，即计算出运动导轨的滚转角误差；具体如下：
运动过程中，从初始点到任意测量点yj，两个电涡流位移传感器的读数变化分别为Δz1j和Δz2j，j＝1,2,3…，Δz1j和Δz2j的差除以两个电涡流位移传感器之间的间距L，再通过误差补偿的方法将由步骤1-6标定出的两条基准直线对应任意点的高度差引起的角度变化量μ(yj)进行补偿，则计算出导轨(5)的任意点滚转角误差αj；
步骤2-3：导轨(5)运动状态分析：按照步骤2-1和步骤2-2依次实时测量出导轨(5)各点的滚转角误差。

说明书全文

一种导轨运动滚转 角误差实时测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于精密机械误差测量领域，具体涉及一种导轨运动滚转角误差实时测量装置及方法，是一种使用相距一定距离的两个电涡流位移传感器组成的测量单元测量计算导轨运动的滚转角误差装置及方法。

背景技术

[0002] 当导轨运动副沿直线导轨运动时，存在沿导轨方向的定位误差、垂直于导轨方向的二维直线度误差(水平直线度误差、竖直直线度误差)、二维角度误差(俯仰角误差、偏摆角误差)、滚转角误差六个自由度误差。制造装备在加工过程中，由于受到切削力等影响，运动误差与采用离线测量方法得到的测量结果会不同，因而实时快速并且精确的检测这些误差将直接影响相关制造装备加工精度和生产效率。在导轨运动中的6项误差中，最难测量的是滚转角误差。目前滚转角误差检测最常使用的方法是用水平仪测量，但是由于水平仪本身的测量原理问题，其在每个测量点都需要一定稳定时间，因此不能实现实时测量。此外，采用激光测量技术也可测量导轨滚动角误差，但激光测量受环境变化影响较大，不容易在实际工况中对导轨进行实时测量。上述方法一般只能在非工作状况下，对导轨运动误差进行离线测量。另外，也有文献介绍采用电容传感器以基准平面作为测量基准，测量运动导轨滚转角误差。但要求基准平面精度非常高，分析滚转角时忽略基准面平面度的影响。

发明内容

[0003] 为解决上述问题，本发明提出了一种实时测量运动导轨滚转角误差的方法及装置，该装置由嵌入运动平台上的两个相距一定距离的电涡流位移传感器组成，电涡流传感器测量导轨不同位置在运动过程中相对基准直线的位移变化。

[0004] 在测量过程中，电涡流位移传感器可以测得运动平台不同位置的直线度误差，两个电涡流位移传感器通过直线度测量间接实现滚转角误差测量，即在消除基准面上两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量的影响下，通过将两个电涡流位移传感器的输出差，除以两个位移传感器之间的间距，就可以实时得到滚转角误差。与现有技术不同，本发明通过采用一般精度的平面或导轨座作为基准，通过消除基准平面上两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量误差的影响，实时准确测量滚转角误差，方便集成于机床中，不需额外过多增加成本。

[0005] 一种导轨运动滚转角误差实时测量装置，包括导轨5、运动平台4、两个电涡流位移传感器、两个连接板、导轨座6和水平仪3；所述的导轨5安装在导轨座6上，所述的运动平台4安装在导轨5上，沿导轨5滑动；所述的水平仪3固定在运动平台4的上表面；连接板A1和连接板B8对称安装在运动平台4的两侧，电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B分别竖直安装在连接板A1和连接板B8上；导轨座6上设有两条平行的扫描直线，位于运动平台4的两侧，且电涡流位移传感器探头A2和电涡流位移传感器探头B7分别位于两条扫描直线上方，水平仪3的测量轴线与电涡流位移传感器探头A2和电涡流位移传感器探头B7的连线平行，保证两个探头扫描时对应各点的高度差引起的角度变化量测量的准确性。

[0006] 一种导轨运动滚转角误差实时测量方法，采用上述装置进行测量，步骤如下：

[0007] 步骤1：标定探头扫描的两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量

[0008] 步骤1-1：将电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B分别嵌入连接板A1和连接板B8；

[0009] 步骤1-2：调整电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B，使电涡流位移传感器探头A2和电涡流位移传感器探头B7与运动平台4和对应的扫描直线垂直且两个探头相互平行；

[0010] 步骤1-3：将水平仪3固定在运动平台4上，使水平仪3的测量轴线与两个电涡流位移传感器探头的连线平行；

[0011] 步骤1-4：从导轨5的起点开始，间隔相同距离测量一次，直至测完整个导轨行程，并记录水平仪3和两个电涡流位移传感器的数值；

[0012] 步骤1-5：电涡流位移传感器探头扫描的导轨座6上两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量标定：由两个电涡流位移传感器的输出差除以二者的间距，然后由水平仪3的读数减去此数值，计算出电涡流位移传感器探头扫描的两条直线对应各点高度差引起的角度变化量。

[0013] 步骤1-6：根据步骤1-5得出的高度差引起的角度变化量，基于最小二乘原理，建立最优拟合函数，拟合计算出两条扫描直线所有点高度差引起的角度变化量；标定后的两条扫描直线作为导轨滚转角测量的基准直线，用于测量导轨运动过程中任意位置滚转角。

[0014] 步骤2：导轨滚转角误差测量

[0015] 步骤2-1：将运动平台4沿导轨5滑动，两个电涡流位移传感器探头分别扫描各自对应的基准直线；

[0016] 步骤2-2：导轨5运动过程中，任意位置处两个电涡流位移传感器的输出差除以二者的间距，再通过误差补偿的方法将两条基准直线对应各点的高度差引起的角度变化量进行补偿，即计算出运动导轨的滚转角误差；

[0017] 步骤2-3：导轨5运动状态分析：按照步骤2-1和步骤2-2依次实时测量出导轨5各点的滚转角误差。

[0018] 本发明的有益效果：本发明实现了运动导轨滚转角误差的高精度、实时、非接触测量，避免了水平仪测量导轨滚转角需要稳定时间，不能实时测量的问题，且抗干扰能力强，在实际工况中可以实现稳定性测量。实际测量滚转角时考虑并减小了基准面平面度的影响。并且可以与其它电涡流位移传感器相结合，组成结构简单的多自由度同时测量系统。附图说明

[0019] 图1是探头扫描的两条直线对应各点高度差引起的角度变化量测量装置示意图；

[0020] 图2是运动导轨滚转角误差测量装置示意图；

[0021] 图3是两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量测量原理图；

[0022] 图4是电涡流位移传感器测量运动导轨滚转角误差原理图。

[0023] 图中：1连接板A；2电涡流位移传感器探头A；3水平仪；4运动平台；5导轨；6导轨座；7电涡流位移传感器探头B；8连接板B。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案。

[0025] 一种嵌入式导轨运动滚转角误差实时测量装置，包括运动导轨5、运动平台4、电涡流位移传感器A、电涡流位移传感器B、连接板A1、连接板B8、导轨座6和水平仪3；测量方法如下：

[0026] 步骤1，标定探头扫描的两条直线对应各点高度差引起的角度变化量

[0027] 步骤1-1：如图1所示，将电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B分别嵌入连接板A1和连接板B8，之后将其作为一个整体固定在运动平台4上垂直导轨5运动方向的两侧；

[0028] 步骤1-2：将装好的电涡流位移传感器探头A2和电涡流位移传感器探头B7进行调整，保证两个探头与运动平台4和扫描直线垂直且保证两个探头平行；

[0029] 步骤1-3：对嵌有传感器探头的连接板A1和连接板B8进行调整，保证电涡流位移传感器探头A2和电涡流位移传感器探头B7相距距离L；将水平仪3放置在运动平台4上，使水平仪3的测量轴线与电涡流位移传感器探头A2和电涡流位移传感器探头B7的连线平行，固定水平仪3，使得水平仪3与运动平台4可以作为一个整体运动，保证测量的准确性；

[0030] 步骤1-4：从运动导轨5的起点开始，间隔一定距离测量一次，直至测完整个导轨5的行程，并记录水平仪3和两个电涡流位移传感器的输出值；

[0031] 步骤1-5：两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量标定原理如图3所示，扫描直线A和扫描直线B平行，两条扫描直线的间距等于电涡流位移传感器之间的间距L。从初始点到测量点，电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B的读数变化分别为Δz1i和Δz2i(i＝1,2,3…,n)，i为测量点的编号，二者的差除以两个电涡流位移传感器探头之间的间距L，得到未进行误差补偿的滚转角测量数据，见公式(1)：

[0032]

[0033] 其中，为未进行误差补偿的滚转角测量数据，包含扫描直线A与扫描直线B的高度差引起的角度变化量。

[0034] 由两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量的测量原理可知，电涡流位移传感器测量数据与水平仪3读数相减计算出高度差引起的角度变化量；

[0035] 两条扫描直线对应各点高度差引起的角度变化量μi为：

[0036]

[0037] 其中，γi为水平仪测量数据；

[0038] 步骤1-6：标定N个点，记导轨5运动位置yi处的高度差引起的角度变化量为μ(yi)(i＝1,2,3,…,n)，每个yi对应一个μ(yi)。基于最小二乘原理，建立最优谐波拟合函数μ(y)见公式(3)，由采样定理可知，当标定点个数N为偶数时，只能计算到m＝N/2阶系数；当N为奇数时，只能计算到m＝(N-1)/2阶系数。

[0039]

[0040] 其中，μ(y)＝[μ(y1)，μ(y2)，…，μ(yi)，…，μ(yn)]，y＝[y1，y2，…，yi，…，yn]，m为可以计算得到高度差谐波的最高阶数，Ak和Bk为第k阶误差谐波系数，Ck和为第k阶误差谐波的幅值和相位。

[0041] 由最小二乘法求出第k阶误差谐波系数Ak和Bk，进而求出了幅值Ck和相位

[0042]

[0043] 标定后的导轨座6中两条扫描直线做为导轨滚转角测量的基准直线，用于测量导轨运动过程中任意位置滚转角。

[0044] 导轨滚转角误差测量时，可以根据公式(3)求出两条扫描直线任意点高度差引起的角度变化量μ(yj)(j＝1,2,3…)，yj表示具体测量时导轨5任意运动位置。

[0045] 步骤2：导轨滚转角误差测量

[0046] 步骤2-1：如图2所示，将嵌入运动平台的两个电涡流位移传感器与运动平台4视作为一个整体(此时不再读取水平仪3的读数)，其各部件相对位置关系与标定时一致。运动平台4运动时，两个电涡流位移传感器探头分别扫描各自对应的基准直线；

[0047] 步骤2-2：如图4滚转角测量原理，运动过程中，从初始点到任意测量点yj，两个电涡流位移传感器的读数变化分别为Δz1j和Δz2j(j＝1,2,3…)，显示了运动平台4上电涡流位移传感器相对基准直线的位移变化量，两个电涡流位移传感器的输出差Δz1j-Δz2j差除以两个电涡流位移传感器之间的间距L，再通过误差补偿的方法将由步骤1-6标定出的两条基准直线对应任意点的高度差引起的角度变化量μ(yj)(j＝1,2,3…)进行补偿，则计算出导轨5的任意点滚转角误差αj。

[0048]

[0049] 步骤2-3：导轨5运动状态分析；两条基准直线A和B的高度差引起的角度变化量已经由步骤1-6提前测出，本发明装置随运动平台4一起运动，再通过步骤2-2的误差补偿可以依次实时测量出导轨各点的滚转角误差。

[0050] 本发明可以对导轨滚转角进行实时准确检测。采用本发明的结构还可以与其它电涡流位移传感器相结合，组成结构简单的多自由度实时同时测量系统。

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