一种用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置的制作方法

本实用新型涉及数控机床热定位误差测量领域，具体是一种用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置。

背景技术：

机床热定位误差是指由于高速切削或快速进给造成机床主要部件产生不均匀的温度场，使得机床在热效应影响下发生热变形所引起的定位误差。随着数控机床向高速、高精密和大型复合化方向发展，机床运动轴的热定位误差对机床性能提升起关键作用。目前，数控机床热定位误差的测量装置主要是把位移传感器安装在机床的关键部位，采集机床的热变形信号，然后利用信号调理器和数据采集卡调理和传输信号，最后利用上位机软件对数据进行后处理得到热定位误差。此装置能够准确的测量数控机床热定位误差，但是此装置忽略了在实际测量中由于机床的复杂结构导致的布置测点难、传感器安装难的问题，同时这些装置利用数据采集卡采集数据，忽略了数据采集卡数据采集能力弱、抗干扰能力弱的缺点。因此，设计一种高精度的热定位误差测量装置对获得运动轴的热定位误差以提高机床的加工精度，具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置，其特征在于该装置包括激光干涉仪、支架、云台、第一磁力基座、第二磁力基座和数据处理端计算机；所述激光干涉仪包括激光头、线性干涉镜和第二线性反射镜；所述线性干涉镜包括分光镜和第一线性反射镜；所述数据处理端计算机通过数据传输线与激光头连接；

三轴加工中心线性轴分为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，针对不同方向的线性轴，装置的安装方式不同：

X轴方向：所述激光头安装在云台上，云台固定安装在支架上；支架固定于水平面上，位于三轴加工中心的一侧；第二线性反射镜通过第一磁力基座安装在三轴加工中心的X轴上，沿X轴做直线运动，位于三轴加工中心的另一侧；线性干涉镜通过第二磁力基座安装在三轴加工中心的Z轴上，Z轴固定不动；线性干涉镜位于激光头和第二线性反射镜之间；激光头、线性干涉镜的分光镜和第二线性反射镜三者的中心在同一直线上；

Y轴方向：将激光头安装在云台上，云台固定安装在支架上；支架固定于水平面上，位于三轴加工中心的正前端；第二线性反射镜通过第一磁力基座安装在三轴加工中心的Y轴上，沿Y轴做直线运动；线性干涉镜通过第二磁力基座安装在三轴加工中心的Z轴上，Z轴固定不动；线性干涉镜位于激光头和第二线性反射镜之间；激光头、线性干涉镜的分光镜和第二线性反射镜三者的中心在同一直线上；

Z轴方向：将激光头安装在云台上，云台固定安装在支架上；支架固定于水平面上，位于三轴加工中心的正前端；第二线性反射镜通过第一磁力基座安装在三轴加工中心的Z轴上，沿Z轴做直线运动；线性干涉镜通过第二磁力基座安装三轴加工中心的XY轴水平面上，X轴和Y轴固定不动；激光头和线性干涉镜的分光镜的入射光中心在同一条直线上，分光镜的出射光中心和第二线性反射镜中心在同一直线上，两直线相互垂直。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)本实用新型装置测量精度高，测量结果准确；

(2)本实用新型装置便于操作，易于上手，解决了在实际运转条件下利用位移传感器采集数控机床热定位误差信号布点难、安装难的问题；

(3)本实用新型装置不需要借助外界的信号调理器和数据采集卡调理和采集信号，解决了数据采集卡数据采集能力弱、抗干扰能力弱的问题。

附图说明

图1为本实用新型用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置一种实施例中的激光干涉仪用于水平线性轴(X方向和Y方向)的结构示意图；

图2为本实用新型用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置一种实施例中的激光干涉仪用于垂直线性轴(Z方向)的结构示意图；

图3为本实用新型用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置一种实施例的装置在三轴加工中心X轴上的安装示意图；

图4为本实用新型用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置一种实施例的装置在三轴加工中心Y轴上的安装示意图；

图5为本实用新型用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置一种实施例的装置在三轴加工中心Z轴上的安装示意图；(图中：①、激光束；②、反射光束；③、发射光束；④、调制光束；⑤、测量光束；、⑥参考光束；1、激光头；2、第一线性反射镜；3、分光镜；4、第二线性反射镜；5、支架；6、云台；7、第一磁力基座；8、线性干涉镜；9、第二磁力基座；10、数据处理端计算机)

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置(简称装置)，其特征在于该装置包括激光干涉仪、支架5、云台6、第一磁力基座7、第二磁力基座9和数据处理端计算机10；所述激光干涉仪包括激光头1、线性干涉镜8和第二线性反射镜4；所述线性干涉镜8包括分光镜2和第一线性反射镜3；所述数据处理端计算机10通过数据传输线与激光头1连接，数据处理端计算机10安装有定位误差测量软件；

三轴加工中心线性轴分为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，针对不同方向的线性轴，装置的安装方式不同：

X轴方向：所述激光头1安装在云台6上，云台6固定安装在支架5上；支架5固定于水平面上，位于三轴加工中心的一侧；第二线性反射镜4通过第一磁力基座7安装在三轴加工中心的X轴上，沿X轴做直线运动，位于三轴加工中心的另一侧；线性干涉镜8通过第二磁力基座9安装在三轴加工中心的Z轴上，Z轴固定不动；线性干涉镜8位于激光头1和第二线性反射镜4之间；激光头1、线性干涉镜8的分光镜2和第二线性反射镜4三者的中心在同一直线上；

Y轴方向：将激光头1安装在云台6上，云台6固定安装在支架5上；支架5固定于水平面上，位于三轴加工中心的正前端；第二线性反射镜4通过第一磁力基座7安装在三轴加工中心的Y轴上，沿Y轴做直线运动；线性干涉镜8通过第二磁力基座9安装在三轴加工中心的Z轴上，Z轴固定不动；线性干涉镜8位于激光头1和第二线性反射镜4之间；激光头1、线性干涉镜8的分光镜2和第二线性反射镜4三者的中心在同一直线上；

Z轴方向：将激光头1安装在云台6上，云台6固定安装在支架5上；支架5固定于水平面上，位于三轴加工中心的正前端；第二线性反射镜4通过第一磁力基座7安装在三轴加工中心的Z轴上，沿Z轴做直线运动；线性干涉镜8通过第二磁力基座9安装三轴加工中心的XY轴水平面上，X轴和Y轴固定不动；激光头1和线性干涉镜8的分光镜2的入射光中心在同一条直线上，分光镜2的出射光中心和第二线性反射镜4中心在同一直线上，两直线相互垂直。

激光干涉仪测量定位误差的原理如图1所示：由激光头1产生激光束①，当激光束达到线性干涉镜8中的分光镜3时被分为反射光束②和发射光束③，反射光束②在线性干涉镜8中的第一线性反射镜2成为参考光束⑥反射回激光头1，发射光束③经由第二线性反射镜4成为测量光束⑤返回激光头1。测量光束⑤和参考光束⑥在线性干涉镜8内汇合，线性干涉镜8对两个光束进行调制后直接把调制光束④传送到激光发射器中，从而使这两束光在探测器中产生干涉条纹。定位误差的测量必须具有一个光学元件相对于另一个光学元件间的相对运动。图1中线性干涉镜8静止不动，第二线性反射镜4沿着预定的方向运动。把线性干涉镜8到激光发射器的距离作为参考值，当第二线性反射镜4到激光发射器之间的距离发生变化时，激光发射器中条纹计数器的明条纹数值将会产生相应的变化。第二线性反射镜4到激光发射器之间的距离(d)等于条纹计数器中出现的明条纹数(n)乘以激光束的半个波长(λ)。根据光的叠加和干涉原理，凡光程差等于波长整数倍的位置，振动加强，产生明条纹；凡光程差等于半波长奇数倍的位置，振动减弱，产生暗条纹。

在实际运行和测试过程中，三轴加工中心线性轴系统的定位误差由线性轴系统各组成部分的几何定位误差(如机床各个部分的安装间隙误差或螺距误差等)和由于线性轴温升热变形而引起的热定位误差两部分组成。为了在线性轴系统热定位误差测量中剔除机床本身几何定位误差的影响，首先需要对主轴系统几何定位误差进行评定。根据《ISO230-3机床热效应评定标准》，当主轴在行程内以较低的速度来回往复运动时，由于运动速度低，主轴系统各结合部摩擦发热不剧烈，由主轴热变形引起的热定位误差可以忽略不计，因而此时测取的主轴系统定位误差就为本身几何定位误差。

本实用新型用于测量三轴加工中心线性轴热定位误差的装置的工作原理和工作流程是：

步骤一，测量三轴加工中心线性轴各个测量点在初始时刻的定位误差：

1、规划测量点：在线性轴上等距离规划N个测量点；

2、装置的安装：在规划完测量点之后，进行装置的安装及光路准直；线性轴分为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，针对不同方向的线性轴，装置的安装方式不同；

装置安装完成后，需要对激光干涉仪进行光路准直，具体步骤如下：

(1)装置安装完成后，目测调节激光头1、线性干涉镜8和第二线性反射镜4的位置，使得激光头1的激光发射器发出的激光束经过线性干涉镜8和第二线性反射镜4后都回到激光头1中；

(2)当第二线性反射镜4和线性干涉镜8距离最近时，视为近光点，在近光点对线性干涉镜8进行位置调节，使得激光头1的激光发射器发出的激光束经过线性干涉镜8和第二线性反射镜4后都回到激光头1中；然后对激光头1的位置进行微调，使得激光头1的激光发射器发出的激光束经过线性干涉镜8和第二线性反射镜4后都回到激光头1的探测器中；

(3)当第二线性反射镜4和线性干涉镜8距离最远时，视为远光点，在远光点对线性干涉镜8进行位置调节，使得激光头1的激光发射器发出的激光束经过线性干涉镜8和第二线性反射镜4后都回到激光头1中；然后对激光头1的位置进行微调，使得激光头1的激光发射器发出的激光束经过线性干涉镜8和第二线性反射镜4后都回到激光头1的探测器中；

(4)重复(2)和(3)过程，直到在全行程内，激光头1的激光发射器发出的激光束经过线性干涉镜8和第二线性反射镜4后都回到激光头1的探测器中。

3、测量三轴加工中心线性轴各个测量点在初始时刻的定位误差：将安装有定位误差测量软件的计算机与激光头1连接，完成对定位误差测量软件参数和三轴加工中心的机床运行程序设置后，开始测量，对各个测量点进行测量：对X轴进行测量时，第二线性反射镜4沿X轴做直线运动，保持线性干涉镜8和Z轴固定不动；对Y轴进行测量时，第二线性反射镜4沿Y轴做直线运动，保持线性干涉镜8和Z轴固定不动；对Z轴进行测量时，第二线性反射镜4沿Z轴做直线运动，保持线性干涉镜8和水平面轴固定不动；在定位误差测量软件中采用最小二乘法对各个测量点的测量数据进行计算分析，得到三轴加工中心线性轴各个测量点在初始时刻的定位误差E_si(即几何定位误差)，各个测量点在初始时刻的定位误差计算公式为：E_si＝l_1i-x_1i；

其中：E_si为初始时刻各个测量点的定位误差，l_1i为初始时刻各个测量点的直接测量值；x_1i为初始时刻各个测量点的真实值；初始时刻是指三轴加工中心加工开始前线性轴未产生热变形的时刻；

步骤二，测量三轴加工中心线性轴各个测量点在任意时刻的定位误差：

开始测量，测量的基准点、测量仪器的摆放位置等测量条件与步骤一相同，对各个测量点进行测量：对X轴进行测量时，第二线性反射镜4沿X轴做直线运动，保持线性干涉镜8和Z轴固定不动；对Y轴进行测量时，第二线性反射镜4沿Y轴做直线运动，保持线性干涉镜8和Z轴固定不动；对Z轴进行测量时，第二线性反射镜4沿Z轴做直线运动，保持线性干涉镜8和水平面轴固定不动；在定位误差测量软件采用最小二乘法对各个测量点的测量数据进行计算分析，得到三轴加工中心线性轴各个测量点在任意时刻的定位误差E_i，各个测量点在任意时刻的定位误差计算公式为：E_i＝l_2i-x_2i；

其中：E_i为任意时刻各个测量点的定位误差，l_2i为任意时刻各个测量点的直接测量值；x_2i为任意时刻各个测量点的真实值；任意时刻是指三轴加工中心线性轴加工运转进行中的任意时刻；

步骤三，得到三轴加工中心线性轴各个测量点在任意时刻的热定位误差：

三轴加工中心线性轴各个测量点在任意时刻的热定位误差E_ti等于三轴加工中心线性轴各个测量点在任意时刻的定位误差E_i减去三轴加工中心线性轴各个测量点在初始时刻的定位误差E_si，其计算公式为：E_ti＝E_i-E_si，通过三轴加工中心线性轴各个测量点在任意时刻的热定位误差得到三轴加工中心线性轴在任意时刻的热定位误差。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。