专利名称：滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对滚珠丝杠螺旋线误差进行检测的方法及其装置，特别是一种滚 珠丝杠螺旋线误差在线检测方法及其装置。
背景技术：
滚珠丝杠副主要由滚珠丝杠、滚珠和丝杠螺母组成，主要用来把电机的回转运动 转化为所需的直线运动。它可以实现非常高的传动和定位精度，被广泛应用于各类精密机 床的进给传动系统中。滚珠丝杠螺旋线误差是指螺旋滚道在加工制造过程中产生的误差， 主要是指滚珠丝杠在一定转角和一定长度范围内的行程误差。由于滚珠丝杠螺旋线误差对 滚珠丝杠副的传动精度和传动效率有着直接影响，因此在生产过程中必须对其进行检测。滚珠丝杠螺旋线误差检测方法应分为离线检测和在线检测离线检测即在滚珠丝 杠加工完成后，从丝杠磨床上取下后采用其他仪器进行检测；在线检测则是在其加工过程 中，直接在丝杠磨床上进行检测并把检测到的螺旋线误差可直接反馈给数控系统，进而实 现螺旋线误差补偿，使滚珠丝杠副的加工精度进一步提高。目前，滚珠丝杠副螺旋线误差主 要通过离线检测来得到，在加工完成后把滚珠丝杠安装到专门仪器上对其螺旋线误差进行 检测，检测得到的螺旋线误差数据一般用来对加工完成的滚珠丝杠的精度检测，且一般无 法反馈到滚珠丝杠加工过程来提高滚珠丝杠的加工精度。相比较而言，滚珠丝杠螺旋线误 差在线测量中，直接把检测元件安装到滚珠丝杠加工用螺纹磨床上，在滚珠丝杠副粗磨工 序之后立刻对其粗磨后的螺旋线误差进行测量并反馈到滚珠丝杠下一阶段的精磨工序中， 从而提高滚珠丝杠的加工精度。而且，在精磨工序完成之后，同样可以对滚珠丝杠加工完成 后的螺旋线误差进行测量，完成现有的滚珠丝杠螺旋线离线检测的效果。在滚珠丝杠螺旋线误差检测方面，国内企业主要在自主研发的滚珠丝杠螺旋线误 差动态测量仪上进行离线检测，国外也没有看到对滚珠丝杠螺旋线误差进行在线检测的研 究与成果报道。从提高滚珠丝杠副螺旋线的加工精度、降低其检测成本并提高其检测效率 出发，非常有必要开发对滚珠丝杠螺旋线误差进行在线检测的新方法和新设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种步骤简单，操作方便，测量精度高的滚珠丝杠螺旋线 误差进行在线检测的检测新方法及其装置。实现本发明目的的技术解决方案为一种滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法，首 先进行检测前的准备工作，调节检测部件的位置，确保检测头与待测的滚珠丝杠的螺旋轨 道之间接触良好，确定待测滚珠丝杠和检测头的初始位置；然后操控加工机床使得待测滚 珠丝杠一边以设定速度勻速转动一边向右移动，待测滚珠丝杠每转动一圈其向右移动一个 螺距。与此同时，由圆光栅、长光栅和小光栅尺分别对待测滚珠丝杠转过的角度、待测滚珠 丝杠的位移量和接触头的位置进行同步采样；根据步骤2得到的采样数据，按照采样先后 顺序把圆光栅和小光栅尺在滚珠丝杠整个运动过程中所得到的采样数据一一对应，即可得到待测滚珠丝杠在不同转角处所对应的综合误差值；按照采样先后顺序把圆光栅和长光栅 尺在滚珠丝杠整个运动过程中所得到的采样数据一一对应，即可得到待测滚珠丝杠在不同 转角处所对应的实际行程；将前一步中得到实际行程减去由待测滚珠丝杠螺旋角和理论螺 距所决定的滚珠丝杠理论行程则得到待测滚珠丝杠在整个运动过程中的传动链误差值；最 终，将得到的综合误差减去传动链误差，则得到待测滚珠丝杠整个运动过程中对应不同转 角处的螺旋线误差值。本发明还提供可一种滚珠丝杠螺旋线误差在线检测的装置，通过在现有数控丝杠 磨床的床身上安装一个小型滚珠丝杠螺旋线检测部件并结合数控丝杠磨床原有的主轴系 统、圆光栅、磨削砂轮、砂轮头架、尾架、长光栅等构成。其特征在于该装置还包括小型滚珠 丝杠螺旋线检测部件，该小型滚珠丝杠螺旋线检测部件固定于床身上，主要由接触头、压缩 弹簧、套筒、滑块、导轨、连接板、小光栅尺、光栅尺读数头、齿条、连接架、齿轮和转轮构成， 接触头穿过套筒并由套筒内设置的压缩弹簧顶出与被加工滚珠丝杠螺旋滚道相接触，接触 头的中心与被加工滚珠丝杠的中心线等高；套筒和光栅尺读数头固定于滑块上并随滑块一 起在固定安装于连接板上的导轨上左右滑动，小光栅尺固定安装在连接板上并与光栅尺读 数头]配合对接触头的左右位移量进行检测，连接板与齿条末端相连接并随齿条一起在与 其啮合的齿轮的作用下前后伸缩运动，齿轮安装在与数控丝杠磨床床身固定连接的连接架 上并由转轮驱动来进行回转运动。本发明与现有技术相比，其显著优点本发明与现有技术相比，其显著优点1、采 用本发明提出的方法，可根据滚珠丝杠制造技术条件(JB/GQ1098—87)的要求对滚珠丝杠 螺旋线误差进行在线检测，具有高效率、低成本和高可靠性的优点；2、由于所采用高精度光 栅尺的定位精度可达到士 1. 0 μ m， 该检测方法可实现滚珠丝杠螺旋线误差的高精度检测；3、本发明滚珠丝杠螺旋线误差在线 检测装置结构简单，便于加工生产和使用，检测的数据值精确可靠，具有很好的市场前景。
图1为本发明中的小型滚珠丝杠螺旋线检测部件的三维结构图。图2为本发明滚珠丝杠螺旋线误差在线检测装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1和图2，本发明公开了一种滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法，通过在滚 珠丝杠加工设备——数控丝杠磨床床身30上安装一个相对砂轮头架固定的小型滚珠丝杠 螺旋线误差检测部件20，对粗磨工序完成后的待测滚珠丝杠70的螺旋线进行检测，得到由 滚珠丝杠螺旋线误差和数控丝杠磨床传动链误差组成的一个综合误差；同时，由数控丝杠 磨床上安装的圆光栅60和长光栅30可检测出数控丝杠磨床的传动链误差；然后，在检测得 到的综合误差中去除同时检测到的数控丝杠磨床的传动链误差，可得到滚珠丝杠粗磨加工 后的螺旋线误差。由于此螺旋线误差是在滚珠丝杠加工过程中得到并可反馈到滚珠丝杠的 精磨加工阶段进行误差补偿来提高其最后的加工精度，因此该方法属于一种滚珠丝杠螺旋 线在线检测方法。
当待测滚珠丝杠70的粗磨工序完成之后，磨削砂轮81向后移动脱离与待测滚珠 丝杠70的螺旋滚道，控制主轴系统50向左侧移动回到待测滚珠丝杠70开始粗磨时的初始 位置，此时才可以开始采用本发明中提出的方法对待测滚珠丝杠70螺旋线误差进行在线 测量，具体包括如下如下步骤
首先，进行检测前的准备工作，调节检测部件20的位置，确保检测头1与待测的滚珠丝 杠70的螺旋轨道之间接触良好，确定待测滚珠丝杠70和检测头1的初始位置；
然后，操控加工机床使得待测滚珠丝杠70 —边以设定速度勻速转动一边向右移动，待 测滚珠丝杠每转动一圈其向右移动一个螺距，其运动方式与待测滚珠丝杠70粗磨过程一 致。在此运动过程中，磨削砂轮81保持不动，而小型滚珠丝杠螺旋线检测部件的接触头1 在滚珠丝杠螺旋滚道的作用下有左右方向的微动，其位移量由小型滚珠丝杠螺旋线检测部 件20上安装的小光栅尺7进行实时采样。同时由安装在主轴系统内的圆光栅60和安装固 定于数控丝杠磨床床身40上的长光栅30分别对待测滚珠丝杠70转过的角度和位移量进 行同步采样，在待测滚珠丝杠70 —个螺距行程内的采样点大于等于400个，当待测滚珠丝 杠70向右位移量达到粗磨工序中的最大位移量时，对待测滚珠丝杠螺旋线在线检测过程 结束；
接着，根据1前一步骤得到的采样数据，按照采样先后顺序把圆光栅和小光栅尺7在滚 珠丝杠整个运动过程中所得到的采样数据一一对应，即可得到待测滚珠丝杠70在不同转 角处所对应的综合误差值，在这里的综合误差值实际上包含待测滚珠丝杠70在加工过程 中的传动链误差值和待测滚珠丝杠70的螺旋线误差值这两部分误差；
随后，按照采样先后顺序把圆光栅60和长光栅尺3在滚珠丝杠整个运动过程中所得到 的采样数据一一对应，即可得到待测滚珠丝杠70在不同转角处所对应的实际行程；
紧接着，将上一步骤中得到实际行程减去由待测滚珠丝杠螺旋角和理论螺距所决定的 滚珠丝杠理论行程则得到待测滚珠丝杠70在整个运动过程中的传动链误差值；
最后，将前述步骤中得到的综合误差减去步骤4中的传动链误差，则得到待测滚珠丝 杠70整个运动过程中对应不同转角处的螺旋线误差值，此螺旋线误差值可反馈回数控系 统，来降低精磨工序中的螺旋线加工误差。结合图1和图2，本发明还公开了一种滚珠丝杠螺旋线误差在线检测装置，包括数 控丝杠磨床床身40、主轴系统50、圆光栅60、小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20、磨削砂轮 81、砂轮头架80、尾架90、长光栅30等，其中，砂轮头架80固定安装在数控丝杠磨床床身 40上，主轴系统50和尾架90安装在数控丝杠磨床床身40上方并可相对数控丝杠磨床左 右移动；被加工滚珠丝杠70安装于主轴系统50和尾架90之间由主轴系统50驱动做回转 运动，同时随主轴系统50和尾架90 —起左右移动，被加工滚珠丝杠70的回转运动与左右 移动的速率成定比关系从而保证被加工滚珠丝杠70被固定安装于砂轮头架80上的磨削砂 轮81加工出螺旋滚道；圆光栅60固定在主轴系统50上可对主轴转角和转速进行高精度测 量，长光栅30固定安装于数控丝杠磨床床身40上并可对主轴系统50和被加工滚珠丝杠70 的左右方向的位移量与移动速度进行检测；小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20固定安装于 床身40上，主要由接触头1、压缩弹簧2、套筒3、滑块4、导轨5、连接板6、小光栅尺7、光栅 尺读数头8、齿条9、连接架10、齿轮11和转轮12构成，接触头1穿过套筒3并由套筒3内 设置的压缩弹簧2顶出与被加工滚珠丝杠70螺旋滚道相接触，并且接触头1的中心与被加工滚珠丝杠70的中心线等高；套筒3和光栅尺读数头8固定于滑块4上并随滑块4 一起在 固定安装于连接板6上的导轨5上左右滑动，小光栅尺7固定安装在连接板6上并与光栅 尺读数头8配合对接触头1的左右位移量进行检测，连接板6与齿条9末端相连接并随齿 条9 一起在与其啮合的齿轮11的作用下前后伸缩运动，齿轮11安装在与数控丝杠磨床床 身40固定连接的连接架10上并由转轮12驱动来进行回转运动。在对被加工滚珠丝杠70 进行磨削前，通过转动转轮12让小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20缩回，在被加工滚珠丝杠 70完成一次磨削工序后，可通过转动转轮12让小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20伸出并与 被加工滚珠丝杠70的螺旋滚道相接触来对其螺旋线进行检测。在上述过程中，被加工滚珠丝杠70的螺旋线误差在线检测装置中的圆光栅60和 长光栅30由数控丝杠磨床自带，其数据采样过程由数控丝杠磨床的数控系统来实现。而 小光栅尺7虽然另外安装在小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20，但其信号也是接入到数控系 统，其采样数据同样由数控丝杠磨床的数控系统来实现。被加工滚珠丝杠70的螺旋线误差 在线检测过程中的数据处理则直接通过数控编程来实现，实现测量过程与原有数控软件的 一体化集成，提高了检测效率，并大幅减低了检测成本。同时，由于小光栅尺7与长光栅30 采用同样精度，也能保证检测的高精度与高可靠性。采用本发明中提出的方法及其装置，对某厂家生产的HKG654-03-301型滚珠丝杠 70进行螺旋线误差的在线检测。该HKG654-03-301型滚珠丝杠70的总长为500mm，直径为 Φ32mm，导程为4mm，精度等级为P2级。结合图1，圆光栅采用某公司生产的RCN2^增量 式圆光栅，长光栅和小光栅尺都采用某工厂生产的LS106型增量式光栅尺，数控系统采用 SIEMENS 840D 型号。基于该检测装置，采用本发明中提出的方法对给定HKG654-03-301型滚珠丝 杠70螺旋线误差的在线检测过程如下
首先，进行采样前的准备工作在待测HKG654-03-301型滚珠丝杠70完成粗磨工序并 复位到开始加工的位置后，转动转轮12来通过齿轮齿条传动带动小型滚珠丝杠螺旋线检 测部件20的接触头1向被加工HKG654-03-301型滚珠丝杠70靠近，使其接触头1与被加 工HKG654-03-301型滚珠丝杠70的螺旋滚道紧密接触，并使套筒3中的压缩弹簧2产生一 定的预压紧力，确定待测滚珠丝杠70和检测头1的初始位置。其次，由操作人员通过数控丝杠磨床的操作界面来控制被加工HKG654-03-301型 滚珠丝杠70 —边转动一边向右移动，其运动方式与滚珠丝杠70粗磨过程一致。在此运动 过程中，磨削砂轮81保持不动，而小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20的接触头1在滚珠丝杠 70螺旋滚道的作用下有左右方向的微动，其位移量由小型滚珠丝杠螺旋线检测部件20上 安装的小光栅尺7进行实时采样。同时由安装在主轴系统内的圆光栅60和安装固定于数控 丝杠磨床床身上的长光栅30分别对待测滚珠丝杠70转过的角度和位移量进行同步采样， 在待测滚珠丝杠70 —个螺距行程内的采样点等于400个。当待测HKG654-03-301型滚珠 丝杠70向右位移量达到粗磨工序中的最大位移量时，停止待测HKG654-03-301型滚珠丝杠 70的运动，对待测HKG654-03-301型滚珠丝杠70螺旋线在线检测过程结束。然后，对前述所采样的数据进行处理，根据圆光栅60和小光栅尺7所采样得到的 数据得到待测HKG654-03-301型滚珠丝杠70在整个运动过程中任一转角处所对应的综合 误差值；还可以根据圆光栅60和长光栅30所采样得到的数据得到被加工HKG654-03-301型滚珠丝杠在整个运动过程中任一转角处所对应的待测滚珠丝杠70实际位移量，此实际 位移量减去由待测HKG654-03-301型滚珠丝杠螺旋角和理论螺距所决定的滚珠丝杆理论 位移量则得到待测HKG654-03-301型滚珠丝杠70在整个运动过程中的传动链误差值。 最后，由检测得到的综合误差值减去传动误差值，则得到待测HKG654-03-301型滚珠丝杠 70在整个长度上对应任一转角处的螺旋线误差值。此螺旋线误差值可反馈回数控系统，来 降低精磨工序中的螺旋线加工误差。 经过检测得到的待测HKG654-03-301型滚珠丝杠在粗磨工序后在线检测得到的 螺旋线误差最大值具体如下有效行程内平均行程偏差、任意300mm行程内变动量和任意 行程内行程变动量分别为19. 6um、15. Sum和6. lum，而通过在线检测得到的螺旋线误差 反馈到数控系统进行误差补偿并进行精磨工序后得到的待测HKG654-03-301型滚珠丝杠 70的螺旋线误差最大值分别如下有效行程内平均行程偏差、任意300mm行程内变动量和 任意2 π行程内行程变动量分别为13. 2um、10. 5um和3. 4um，其各项螺旋线误差值都明显降 低。通过上面的具体实施例子，采用本发明中的方法及其装置实现了对HKG654-03-301型 滚珠丝杠螺旋线误差的在线检测。
权利要求
1 一种滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤1 进行检测前的准备工作，调节检测部件[20]的位置，确保检测头[1]与待测的 滚珠丝杠[70]的螺旋轨道之间接触良好，确定待测滚珠丝杠[70]和检测头[1]的初始位 置；步骤2:操控加工机床使得待测滚珠丝杠[70] —边以设定速度勻速转动一边向右移 动，待测滚珠丝杠每转动一圈其向右移动一个螺距；与此同时，由圆光栅[60]、长光栅[30]和小光栅尺[7]分别对待测滚珠丝杠[70]转过 的角度、待测滚珠丝杠[70]的位移量和接触头[1]的位置进行同步采样；步骤3 根据步骤2得到的采样数据，按照采样先后顺序把圆光栅W0]和小光栅尺[7] 在滚珠丝杠整个运动过程中所得到的采样数据一一对应，即可得到待测滚珠丝杠[70]在 不同转角处所对应的综合误差值；步骤4 按照采样先后顺序把圆光栅W0]和长光栅尺[3]在滚珠丝杠整个运动过程中 所得到的采样数据一一对应，即可得到待测滚珠丝杠[70]在不同转角处所对应的实际行 程；步骤5 将步骤4中得到实际行程减去由待测滚珠丝杠螺旋角和理论螺距所决定的滚 珠丝杠理论行程则得到待测滚珠丝杠[70]在整个运动过程中的传动链误差值；步骤5 将步骤3中得到的综合误差减去步骤4中的传动链误差，则得到待测滚珠丝杠 [70]整个运动过程中对应不同转角处的螺旋线误差值。
2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法，其特征在于所述的步 骤2中，待测滚珠丝杠[70]在一个螺距行程内的采样点大于等于400个，当待测滚珠丝杠 [70]向右位移量达到粗磨工序中的最大位移量时，采样过程结束。
3.一种用于权利要求1所述的滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法的装置，通过在现 有数控丝杠磨床的床身W0]上安装一个小型滚珠丝杠螺旋线检测部件[20]并结合数控 丝杠磨床原有的主轴系统[50]、圆光栅[60]、磨削砂轮[81]、砂轮头架[80]、尾架[90]、长 光栅[30]等构成；其特征在于该装置还包括小型滚珠丝杠螺旋线检测部件[20]，该小型 滚珠丝杠螺旋线检测部件[20]固定于床身W0]上，主要由接触头[1]、压缩弹簧[2]、套 筒[3]、滑块[4]、导轨[5]、连接板[6]、小光栅尺[7]、光栅尺读数头[8]、齿条[9]、连接架 [10]、齿轮[11]和转轮[12]构成，接触头[1]穿过套筒[3]并由套筒[3]内设置的压缩弹 簧[2]顶出与被加工滚珠丝杠[70]螺旋滚道相接触，接触头[1]的中心与被加工滚珠丝杠 [70]的中心线等高；套筒[3]和光栅尺读数头[8]固定于滑块[4]上并随滑块[4] 一起在 固定安装于连接板[6]上的导轨[5]上左右滑动，小光栅尺[7]固定安装在连接板[6]上 并与光栅尺读数头[8]配合对接触头[1]的左右位移量进行检测，连接板[6]与齿条[9] 末端相连接并可随齿条[9] 一起在与其啮合的齿轮[11]的作用下前后伸缩运动，齿轮[11] 安装在与数控丝杠磨床床身W0]固定连接的连接架[10]上并由转轮[12]驱动来进行回 转运动。
全文摘要
本发明公开了一种滚珠丝杠螺旋线误差在线检测方法，通过在滚珠丝杠加工设备——数控丝杠磨床床身上安装一个相对砂轮头架固定的小型滚珠丝杠螺旋线误差检测部件，对粗磨工序完成后的待测滚珠丝杠的螺旋线进行检测，得到由滚珠丝杠螺旋线误差和数控丝杠磨床传动链误差组成的一个综合误差；同时，由数控丝杠磨床上安装的圆光栅和长光栅可检测出数控丝杠磨床的传动链误差；然后，在检测得到的综合误差中去除同时检测到的数控丝杠磨床的传动链误差，可得到滚珠丝杠粗磨加工后的螺旋线误差。本发明还公开了一种与该检测方法相配套的装置，该方法操作简单，检测精度高，有着良好的应用前景。
文档编号G01B11/02GK102072705SQ20101059653
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者冯虎田, 孔振, 张合, 李春梅, 欧屹, 王禹林, 陶丽佳, 陶卫军, 韩军 申请人:南京理工大学