一种数控机床导轨型面快速检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型创造涉及一种数控机床导轨型面快速检测装置，本装置对激光发射器和接收器的安放位置没有严格的规定，测试结果仅依赖于激光接接收器上接收的激光的相对位置关系和测试端导轨的初始测试偏差。测试时，固定好激光发射器，通过移动光学镜片组进行等间距采集数据，也可以增加附属牵引装置，匀速移动光学镜片组，实现实时高密度采集测试数据，提高测试精度。本实用新型的测试装置具有精确、可靠、快速等特点，可一次性完成多项测试指标的检测工作，节省时间和人力，与现有技术相比，具有显著的精确性和创新性。
【专利说明】一种数控机床导轨型面快速检测装置
【技术领域】
[0001] 本发明创造涉及一种数控机床导轨型面快速检测装置，属于数控机床精度测试领 域。
【背景技术】
[0002] 机床导轨型面精度的测量方法，从目前来看，主要是使用水平仪、自准直仪和激光 干涉仪，水平仪操作简单、使用方便、成本较低，但精度较低，一般只能达到10?20 μ m/m。 可以测量导轨在垂直面内的直线度以及两条导轨之间的平行度，但是测量水平面内的直线 度就很困难，另外，测量距离长了难以保证测试结果的真实性；自准直仪成本相对激光干涉 仪测量低，但不易达到很高的精度，一般为5 μ m/m。因为光线（LED发光元件）在空气中并 非绝对准直，测量范围越大，偏差也越大，光束在传播过程中易受到各种干扰而出现偏差， 并且是非连续测量，结果具有很大的随机性；激光干涉仪具有测量距离大（40m)，测量速度 快（60m/min)，测量精度高（0.4μπι/πι)的特点，而且可以连续测量和采用计算机进行数据 处理、显示和打印，并且激光准直性好、抗干扰能力强，因此更适合于车间等环境稍差的场 合使用，缺点是价格昂贵、操作复杂、需要进行补偿。
[0003] 综合以上仪器的优缺点，每一种仪器都有各自的适用范围，但都无法一次性地快 速、精确地完成直线度、平面度和平行度的测量工作。
【发明内容】
[0004] 本发明创造要解决的技术问题是提供一种数控机床导轨型面快速检测装置，数控 机床导轨型面快速检测装置通过移动光学镜片组进行等间距采集数据，实现实时高密度采 集测试数据，提高测试精度。本发明的测试装置具有精确、可靠、快速等特点，可一次性完成 多项测试指标的检测工作，节省时间和人力。
[0005] 为解决以上问题，本发明创造的具体技术方案如下：在导轨的端部外侧设有固定 放置的激光发射器，分光镜和激光接收器，在导轨的上表面设有可在导轨上移动的光学部 件，光学部件由两组的光学镜片组I和光学镜片组II组成；分光镜将激光发射器的输入光 源分成两个光路分别进入光学镜片组I和光学镜片组II，每束输入光源在光学镜片组I和 光学镜片组II内分别形成一束反射回路和一束折射回路，反射光和折射光分别输入到激光 接收器中。
[0006] 所述的分光镜由一个Wollaston棱镜和两个物镜组成，两个物镜的位置分别与光 学镜片组I和光学镜片组II的位置对应。
[0007] 所述的光学镜片组I的结构为，在光学镜片组I的中部设有正分光镜，正分光镜 前上方设有反射镜I，后下方设置反射镜II，其中正分光镜的反射/折射面A与反射镜I的 反射面B垂直，反射镜II的反射面C与正分光镜的反射/折射面A平行，且反射镜II的反射 光位于正分光镜的下方；其中正分光镜为底面和顶面水平，背面和两个侧端面垂直，前表面 与底面呈α角。
[0008] 所述的光学镜片组II的结构为，在光学镜片组II的中部设有反分光镜，反分光镜 左侧设有反射镜III，右侧设置反射镜IV，其中反分光镜的反射/折射面D与反射镜III的反射 面E垂直，反射镜IV的反射面F与反分光镜的反射/折射面D平行，且反射镜IV的反射光位 于反分光镜的外部；其中反分光镜底面和顶面水平，背面和两个侧端面垂直，前表面与一端 的侧端面呈α角。
[0009] 采用检测装置对数控机床导轨型面快速检测的方法，包括以下步骤：
[0010] 1)安装检测装置，调整仪器，检测导轨0检测位的初始倾角偏差，即绕Υ轴的转动 偏差s y(0)和绕Ζ轴的转动偏差δζ(〇)，并记录在分析软件中；
[0011] 2)安装激光发射器、分光镜、激光接收器，将光学部件安装到导轨上表面0点检测 位，并调整光学部件使其处于理想状态，即无绕Υ轴的转动偏差S y和绕Ζ轴的转动偏差 δ Z ;记录此时的返回光路在激光接收器上的位置信息以及光学部件和激光接收器的初始 距离dz(o);
[0012] 3)将光学部件沿导轨移动到下一个测试位置，测试导轨偏差信息。反复执行此操 作，直至完成整个导轨的测试；
[0013] 4)当光学镜片组从0检测位沿导轨移动到η检测位的过程中，激光接收器将接收 到一系列的反馈光路信息，经软件计算得到位置误差信息：P〇(dx，d y，Sy，Sz，dz)、Pl(dx， dy，5y，δζ，(1ζ)、…Pn(dx，dy，5y，δζ，(1ζ)，将位置误差信息作为曲面的构造点，以及初 始检测位的偏差S y(〇)和δ ζ(〇)，即可得到单个导轨的型面误差；
[0014] 5)重复步骤1-4应用在另一个平行布置的导轨上，即可得到另一条导轨的型面误 差；
[0015] 6)经对比可得到平行度误差。
[0016] 该测试装置采用上述结构具有精确、可靠、快速等特点，通过光学镜片组沿导轨的 移动，将激光信号分成反射光和折射光两个光路信号，反馈回激光接收器，信号通过数据采 集仪实时传递至PC机，经由PC机内置的专用软件对实时采集的数据信息进行分析，计算导 轨的型面误差和三维型面轮廓图，并根据分析数据给出一个全面的导轨型面评测结果，可 一次性完成多项测试指标的检测工作，节省时间和人力。
[0017] 本装置对激光发射器和接收器的安放位置没有严格的规定，测试结果仅依赖于激 光接接收器上接收的激光的相对位置关系和测试端导轨的初始测试偏差。测试时，固定好 激光发射器，通过移动光学镜片组进行等间距采集数据，也可以增加附属牵引装置，匀速移 动光学镜片组，实现实时高密度采集测试数据，提高测试精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为数控机床导轨型面快速检测装置的结构示意图。
[0019] 图2为光学部件组成及光路示意图。
[0020] 图3为正分光镜三维模型示意图。
[0021] 图4为光学镜片组5截面示意图。
[0022] 图5为反分光镜三维模型示意图。
[0023] 图6为光学镜片组6的截面示意图。
[0024] 图7为沿X轴向移动偏差+绕Y轴转动偏差光路分析示意图。
[0025] 图8为偏差d2求解示意图。
[0026] 图9测试结果示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合附图对本专利做进一步的说明。
[0028] 如图1和图2所示，本专利的数控机床导轨型面快速检测装置是由一个激光发射 器（1)、一个分光镜（2)、一个可在导轨上移动的光学部件（4)和一个激光接收器（3)组成。 分光镜2由一个wollaston棱镜（2-1)和两个物镜（2-2)组成，将激光发射器发射的激光 分成两束平行光；两束平行光分别进入光学部件（4)中的光学镜片组I (5)和光学镜片组 II (6)中，每个光学镜片组中再将激光的输入光源分成一个折射光和一个反射光并通过反 射镜反射给激光接收器（3)中。
[0029] 光学镜片组（5)可以测试沿X轴的移动偏差和绕Y轴的转动偏差，由一个正分光 镜和两个反射镜组成。如图3所示，正分光镜（5-1)为底面和顶面水平，背面和两个侧端面 垂直，反射/折射面A与底面呈α角，其中反射/折射面A与底面的交线为plp2,底面宽度 为a。如图4所不，其中在光学镜片组I (5)中部为正分光镜（5-1)，正分光镜（5-1)前上 方设有反射镜I (5-2)，后下方设置反射镜II (5-3)，其中正分光镜（5-1)的反射/折射面 A与反射镜I (5-2)的反射面B垂直，反射面B距直线plp2的距离为b;反射镜II (5-3)的 反射面C与正分光镜（5-1)的反射/折射面A平行，反射面C距平面A的距离为c，且反射 镜II (5-3)的反射光位于正分光镜（5-1)的下方。
[0030] 光学镜片组（6)可以测试沿Y轴的移动偏差和绕Z轴的转动偏差，由一个反分光 镜和两个反射镜组成。如图5所示，反分光镜（6-1)底面和顶面水平，背面和两个侧端面垂 直，反射/折射面D与一端的侧端面呈α角，其中反射/折射面D与底面的交线为p5p6,底 面宽度为a。如图6所不，光学镜片组II (6)的中部设有反分光镜（6-1)，反分光镜（6-1) 左侧设有反射镜III (6-2)，右侧设置反射镜IV (6-3)，其中反分光镜（6-1)的反射/折射面 D与反射镜III (6-2)的反射面E垂直，反射面E距直线p5p6的距离为b，反射镜IV (6-3)的 反射面F与反分光镜（6-1)的反射/折射面D平行，反射面F反射/折射面D的距离为c， 且反射镜IV (6-3)的反射光位于反分光镜（6-1)的外部。
[0031] 测试时，首先检测如图1所示的导轨0点检测位的初始倾角偏差，即绕Y轴的转动 偏差s y(0)和绕Z轴的转动偏差δζ(〇)，并记录在分析软件中。
[0032] 安装激光发射器（1)、分光镜（2)、激光接收器（3)，将光学部件（4)安装到导轨上 表面〇检测位，并调整光学部件⑷使其处于理想状态，即无绕Υ轴的转动偏差S y和绕Ζ 轴的转动偏差Sz。记录此时的返回光路在激光接收器上的位置信息以及光学部件（4)和 激光接收器（3)的初始距离dz (0)。
[0033] 将光学部件（4)沿导轨移动到下一个测试位置，测试导轨偏差信息。反复执行此 操作，直至完成整个导轨的测试。
[0034] 以图1中的右上角的坐标系建立直角坐标系，当光学镜片组从0检测位沿导轨移 动到η检测位的过程中，激光接收器将接收到一系列的反馈光路信息，经软件计算得到位 置误差信息：P〇(dx，dy，5y，5z，dz)、Pl(dx，dy，5y，δζ，（1ζ)、…Pn(dx，dy，5y，δζ， dz)，将位置误差信息作为曲面的构造点，以及初始检测位的偏差Sy(〇)和δζ(〇)，即可得 到如附图7的绘图结果。此测试结果包括了单个导轨的型面误差，若用同法测得另一个平 行布置导轨的型面误差，即可分析出导轨的平行度误差。
[0035] 本专利技术的工作原理：
[0036] 当安装在导轨（10)上的光学部件（4)沿导轨移动时，在任一检测位置将出现以下 几种偏差：
[0037] ①沿X轴的移动偏差；
[0038] ②沿Y轴的移动偏差；
[0039] ③绕Y轴的转动偏差；
[0040] ④绕Z轴的转动偏差。
[0041] 当使用如附图3所示的正分光镜（5-1)时，光学镜片组（5)对偏差②和偏差④具 有非敏感性，因此对于光学镜片组（5)只需考虑偏差①和偏差③。同理，当使用如附图7所 不的反分光镜（6-1)时，光学镜片组（6)对偏差①和偏差③具有非敏感性，因此对于光学镜 片组（6)只需考虑偏差②和偏差④。
[0042] 以下对光学镜片组（5)的测试结果进行推导，其过程同样适合光学镜片组（6)的 推导。
[0043] 参照图7所示，以正分光镜（5-1)的右下角为坐标原点，建立直角坐标系。假设存 在沿偏差X轴的移动偏差为d,绕Y轴的转动偏差为Θ。
[0044] 当光线水平入射到光学镜片组（5)时，在无绕Y轴的转动偏差时，其入射角为β， 并有β = 90-α ;当存在Θ角的绕Υ轴的转动偏差时，其入射角为β + θ。
[0045] 光源入射直线方程为：
[0046]
【权利要求】
1. 一种数控机床导轨型面快速检测装置，其特征在于：在导轨（10)的端部外侧设有固 定放置的激光发射器（1)，分光镜（2)和激光接收器（3)，在导轨（10)的上表面设有可在导 轨上移动的光学部件（4)，光学部件（4)由两组的光学镜片组I (5)和光学镜片组II (6)组 成；分光镜（2)将激光发射器（1)的输入光源分成两个光路分别进入光学镜片组I (5)和光 学镜片组II (6)，每束输入光源在光学镜片组I (5)和光学镜片组II (6)内分别形成一束反 射回路和一束折射回路，反射光和折射光分别输入到激光接收器（3)中。
2. 如权利要求1所述的数控机床导轨型面快速检测装置，其特征在于：所述的分光镜 (2 )由一个wol laston棱镜（2-1)和两个物镜（2-2 )组成，两个物镜（2-2 )的位置分别与光 学镜片组I (5)和光学镜片组II (6)的位置对应。
3. 如权利要求1所述的数控机床导轨型面快速检测装置，其特征在于：所述的光学镜 片组I (5)的结构为，在光学镜片组I (5)的中部设有正分光镜（5-1)，正分光镜（5-1)前 上方设有反射镜I (5-2)，后下方设置反射镜II (5-3)，其中正分光镜（5-1)的反射/折射 面A与反射镜I (5-2)的反射面B垂直，反射镜II (5-3)的反射面C与正分光镜（5-1)的反 射/折射面A平行，且反射镜II (5-3)的反射光位于正分光镜（5-1)的下方；其中正分光镜 (5-1)为底面和顶面水平，背面和两个侧端面垂直，前表面与底面呈α角。
4. 如权利要求1所述的数控机床导轨型面快速检测装置，其特征在于：所述的光学镜 片组II (6)的结构为，在光学镜片组II (6)的中部设有反分光镜（6-1)，反分光镜（6-1)左侧 设有反射镜111(6-2)，右侧设置反射镜IV (6-3)，其中反分光镜（6-1)的反射/折射面D与反 射镜III(6-2)的反射面Ε垂直，反射镜IV (6-3)的反射面F与反分光镜（6-1)的反射/折射 面D平行，且反射镜IV(6-3)的反射光位于反分光镜（6-1)的外部；其中反分光镜（6-1)底 面和顶面水平，背面和两个侧端面垂直，前表面与一端的侧端面呈α角。
【文档编号】G01B11/24GK204064262SQ201420478877
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】李焱, 马晓波, 谢志坤, 仇健, 刘启伟, 王海滨, 葛任鹏 申请人:沈阳机床(集团)有限责任公司