一种关于直线导轨直线度误差的快速测量及误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种关于直线导轨直线度误差的快速测量及误差补偿方法，属于机床 精度设计领域。
【背景技术】
[0002] 对于重型数控机床，机床的直线运动导轨是机床的重要部件，是机床各主要部件 相对位置和运动的基准，它的精度直接影响机床成形运动之间的相互位置关系，其直线度 误差反映了机床的装配误差，对所加工工件的精度影响较大。因此，如何准确获得导轨直线 度误差并最终提高工件的加工精度，具有重要的现实意义。
[0003] 直线度公差是指实际被测直线对理想直线的允许变动量。直线度的传测量方法主 要有；拉钢丝法、打表法、水平仪等等。拉钢丝法和用打表法都是一种线值测量法，只可检测 导轨在水平面内的直线度误差。传统上使用水平仪检测直线度误差，但水平仪精度低、受外 界影响大，已无法满足高精度、高稳定性的要求。
[0004] 传统工业测量方法手段有限、操作复杂、测量效率低、精度差，严重地影响了生产 效率，现有的测量方法和技术已经不能满足应用要求。因此，高效、高精密、便捷的大尺度测 量技术已成为当前的研究热点。
[0005] 在国际标准（ISO230-1-1996机床检验通则）中激光干设仪是唯一公认的，目前 最常用的数控机床精度检定仪器，它在功能、灵敏度、稳定性、精度方面极具优势。
【发明内容】
[0006] 本发明提出一种关于直线导轨直线度误差的快速测量及误差补偿方法，解决现有 测量方法低、误差大且数据处理复杂等问题。
[0007] 为实现上述目的，一种关于直线导轨直线度误差的快速测量及误差补偿方法，该 方法的流程图如图3所示。
[0008] 本发明的实施步骤如下，
[0009] 步骤一规划N个测试采样点
[0010] 步骤二组件安装及光路对准
[0011] 在规划完测试采样点之后，完成对直线度测量的光路图设计、组件安装及光路对 准。
[0012] 美国自动精密工程公司（API)所生产的XD系列激光干设仪直线度测量系统包括 激光头（由激光仪主机和前端干设镜组成）、6-D传感单元（反射镜）、调节夹具。其测量组 件安装图如图2所示。在测量中，激光头固定不动，6-D传感单元固定在调节夹具上。
[0013] 步骤=数据采集和数据分析
[0014] 全部组件安装完毕之后，进行组件对准W及XD传感器无线收发器的安装。在完成 XD系统参数设置之后，便可W进行数据采集。完成数据采集过程后，程序将提示用户数据采 集已经完成并保存，该时可利用数据分析功能得到直线度误差测量结果。
[0015] 步骤四激光干设仪测量中的误差分析及补偿
[0016] 激光干设仪是一种高精度的计量仪器，自身的精度很高，但在使用时会受到安装 条件、环境、机床温度和线膨胀系数不准确等诸多因素的影响，从而降低了测量精度。激光 干设仪在机床导轨直线度测量中的误差包括：安装误差、环境误差和延时误差等。
[0017] 激光干设仪测量直线度测量原理；激光干设仪测量直线度主要是利用激光干设原 理进行测量，即利用两束激光相对光程变化测量直线度。基于双频干设原理的直线度测量 原理图如图1所示。激光干设仪把两个不同频率的线偏振光分为带一定夹角0的两束光 线。其中测量反射镜也是由带一定夹角0(此夹角和分光镜分出的两束光线夹角相等）的 双面反射镜组成。测量时移动分光镜或反射镜，移动部件的横向（沿光轴方向为纵向）变 化会使两光束的光程产生变化，该个变化量经过处理就得到直线度误差。
[0018] 测量时，设测量反射镜由初始位置1移动至被测位置2,沿测量基准轴线方向的速 度为V，根据多普勒效应及图1可得：
【主权项】
1. 一种关于直线导轨直线度误差的快速测量及误差补偿方法，其特征在于：该方法的 实施步骤如下， 步骤一规划N个测试采样点 步骤二组件安装及光路对准 在规划完测试采样点之后，完成对直线度测量的光路图设计、组件安装及光路对准； 激光干涉仪直线度测量系统包括有激光头、6-D传感单元、调节夹具；在测量中，激光 头固定不动，6-D传感单元固定在调节夹具上； 步骤三数据采集和数据分析 全部组件安装完毕之后，进行组件对准以及XD传感器无线收发器的安装；在完成XD系 统参数设置之后，便可以进行数据采集；完成数据采集过程后，程序将提示用户数据采集已 经完成并保存，这时可利用数据分析功能得到直线度误差测量结果； 步骤四激光干涉仪测量中的误差分析及补偿 激光干涉仪测量直线度测量原理：激光干涉仪测量直线度主要是利用激光干涉原理进 行测量，即利用两束激光相对光程变化测量直线度；激光干涉仪把两个不同频率的线偏振 光分为带一定夹角Θ的两束光线；其中测量反射镜也是由带一定夹角Θ的双面反射镜组 成；测量时移动分光镜或反射镜，移动部件的横向变化会使两光束的光程产生变化，这个变 化量经过处理就得到直线度误差； 测量时，设测量反射镜由初始位置1移动至被测位置2,沿测量基准轴线方向的速度为 V，根据多普勒效应可得：
式中：fi、f2为双频激光器输出正交线偏振光的两个频率，f /、f2'含有多普勒频差的 两个频率，c为光在真空中的速度，Θ为握拉斯顿棱镜的分光角度； 当测量反射镜与激光器相向运动时速度为V取正，相背运动时速度为V取负； 由多普勒效应引起的测量光束4和f2的频率变化为：
式中：λ i、λ 2为两个频率的激光波长； 测量反射镜移动距离为s，时间为t，由参考信号和第一路测量信号求差频可得△ ，由 参考信号和第二路测量信号求差频可得对应的两光路的光程变化为：
两光路的光程差为： AL = L2-L1 (7) 求出被测对象的直线度值为：
式中：当AL为负时，测量反射镜向上偏离基准轴线；当AL为正时，测量反射镜向下 偏离基准轴线； 计算出反射镜沿测量基准轴线的线位移s为：
由式（8)可计算得到线位移s与直线度误差Ah相互关系的数学模型：
S4. 1安装误差 测量轴线应与被测对象的运动轴线重合；但在测量系统实际安装过程中，必然存在安 装误差，导致测量轴线与被测对象的运动轴线不平行，从而引入测量误差；其中，测量轴线 与被测对象的运动轴线不重合时引起的误差，称为阿贝误差；测量轴线与被测对象的运动 轴线不平行时引起的误差，称为余弦误差； 测量轴线与被测对象运动轴线之间的夹角为β，被测对象沿运动方向移动距离为s， 干涉仪测量距离为s'，则 s = s' cos β (11) 将式（11)代入式（10)，计算得到：
式中△ h2为修正安装误差后的直线度误差，根据上式对实际测量结果进行补偿，从而 提尚测量精度； S4. 2环境误差 由于激光测量系统是利用光学效应进行被测对象的实际位置测量，因此激光测量系统 对工作环境十分敏感；在高精度的激光测量系统中，要求将实际工作环境控制在较为严格 的范围内，其中环境控制的主要指标为空气温度、压力以及空气的相对湿度等；以上指标变 化的综合结果将会引起空气折射率发生变化，从而导致波长的变化，最终引起测量误差； 激光干涉仪是以激光波长为基准的测量仪器，波长值的正确与否将直接影响测量结果 的准确性；波长与传播介质的折射率存在以下关系：
式中λ ^为所用激光在真空中的波长，n为所用激光在空气中的折射率； 根据Edlen公式，在标准状态（气压ρ = 101325Pa，温度t = 20°C，湿度f = 1333