本发明涉及一种直线度检测装置，具体涉及数控机床导轨安装面直线度数字化检测装置和检测方法。
背景技术
数控机床进给系统的性能不但依赖于各零件制造精度，而且取决于各部件的装配精度。导轨作为进给系统的基准件，其装配精度是保证进给系统各主要部件相对位置装配与运动精度的基础，也是工件加工过程产生形状误差和位置误差的重要因素之一。通常，导轨装配通过其安装基准面的千分表测量和表面刮研保证其精度。但其测量精度具有较大的随机性，受操作者的熟练程度和经验影响较大，且效率低，更不可能实现装配过程的数字化。
经过近40年的研究与发展，目前直线度测量的精度已经完全满足各行各业的需求，其中包括航天工业，高档数控机床制造业等。但大多方法不能被实际的工程生产所应用。例如激光干涉仪、三坐标测量仪虽然能满足直线度精度的要求，但操作过程相对繁琐，浪费时间，影响工程实际的生产效率。每用一次都需要试验人员和工人进行精确的调整，无法进行批量检测。因此随着制造业飞速的发展，为了降低生产成本，提高检测，装配的效率，迫切需要一种符合工程实际需要，成本低、效率高、操作简便、结果直观的检测装置。
目前国内外没有此类装置可以对工程中的产品进行批量、高效的检测。学者们提出的检测方法和对应的检测设备都需要特定的工作台在进行，无法应用于数控机床的床身装配生产线上。因此，本发明提出一种便携式直线度检测仪，可以由装配工人在机床床身装配生产线上操作，同时记录检测数据，实现机床导轨安装面直线度的在线数字化检测，为研究装配精度对进给系统工作性能参数和工作可靠性的影响奠定基础。
技术实现要素：
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种数控机床导轨安装面直线度检测方法并设计了一种新的检测装置。
具体技术方案为：
一种数控机床导轨安装面直线度检测装置，包括激光位移传感器、机架、检测块、法兰盘、滑块、导轨、弹簧、活动接触线c、固定接触线a和b；机架由两个垂直焊接的钢板组成；固定接触线a和b作为一个整体通过螺栓固定在机架的底部钢板上，其位置通过机架上的螺栓孔进行调节；激光位移传感器、法兰盘通过螺栓固定在机架的侧面钢板上，其位置通过机架上的竖直u形槽调节，其中激光位移传感器位于上方，法兰盘位于下方，并且滑块被法兰盘压紧固定在钢板的侧面上；导轨在滑块中能够上下滑动，检测块与活动接触线c分别通过螺栓固定于导轨的两端；在活动接触线c与滑块之间设有弹簧，保证活动接触线c始终与被检测面接触，用于实现活动接触线c将因表面形貌产生变化的数据传递给接收面，接收面再将变化的数据通过导轨上方设置的检测块传给激光位移传感器，激光位移传感器检测到的待检测面上下变动即活动接触线c变化情况，该数据存储于pc工控机。
应用上述数控机床导轨安装面直线度检测装置的检测方法，图1为变尺度直线度检测原理图。由于线性导轨沿着进给运行方向安装，检测机构2采用a、b两条直线与基准板1接触，c直线与待检测面3接触。各线长度与导轨对应的安装定位面宽度相同。a和b为固定支撑线，接触线c通过弹簧压紧在待测面上。检测过程中操作者沿着导轨安装方向推动机构体运动，通过机构体上的导轨和滑块，使接触线c能够随检测平面的平面度变化上下移动，传感器检测平面沿垂直待检测平面方向运动(随活动接触线c一起运动)。传感器检测机构检测面的变化，并通过工业控制计算机进行记录。
具体包括如下步骤：
步骤1，基于基准板的直线度检测
基于变尺度测量理论，基准板法平面波纹线的形貌对最后导轨安装面表面形貌的检测结果没有影响。但前提是已知基准板的表面形貌，所以，第一步就是要以理想平面为检测基准，利用下面的数据处理算法将激光位移传感器检测到的数据生成基准板的法平面波纹线。之后工人可对检测样板稍作修整，直到达到能够作为检测基准板的标准。将基准板以及检测机构向法平面进行投影，固定接触线a和b变为a点和b点，活动接触线c变为c点；
步骤1.1，基准板法平面波纹线的原始数据检测
直线度检测装置在检测时需要用手推，这样无法保证检测装置是否在同一个起始点开始检测，导致位置数据与形貌数据无法一一对应。为了在检测过程中出现明显的波峰和波谷，便于数据定位，在基准板固定的位置设置沟槽；沟槽的位置通过测量工具准确得出，解决了位置数据和形貌数据一一对应的问题。沟槽的位置数据通过另一个激光位移传感器可以检测记录，并且另一个测量水平方向位移的传感器的安装位置与基准板沟槽之间的距离是可以测量的。
在同一时间内，两个激光位移传感器分别测量检测装置水平方向的运动位置变化情况以及竖直方向检测面的上下距离变化；位于水平位置的激光位移传感器开始数据采集和结束数据采集时距离不变，根据数据的形貌特征编辑对应的试验数据预处理算法；
检测装置中的固定接触线a、b之间的间距为l1，基准板两个沟槽间距为l2,当从左向右推动时，检测装置左侧固定接触线a第一次进入沟槽时，图像会出现第一个峰值；通过测量确定检测装置水平位移的激光位移传感器与沟槽之间的距离，两个激光位移传感器的记录数据的起始点形成一一对应关系；
检测数据主要分为两类：时间位置数据和时间距离数据；对于时间位置数据，先截取两个沟槽对应的物理距离与对应时间的数据，再对其进行三次样条等距插值，得到最终的试验数据；处理算法流程图如图2左上半部分所示。对于时间距离数据，根据水平位移图像和竖直形貌图像的关系对时间形貌图像进行截取，其中，水平位移所测得的第一个沟槽处的数据对应竖直形貌数据的最高点，利用固定的采样频率和检测距离所确定的总点数对竖直方向上的位移数据从最高处开始进行截取；算法流程图如如图2右上半部分所示。
步骤1.2，法平面波纹线的重构算法
从左向右和从右向左运动时检测机构a、b点会经过基准板表面相同的点，设测得基准板表面波纹线的数据共n个，从左向右得到的第一个数据与从右向左的第n个数据对应基准板相同的位置(即从左向右a对应从右向左b，从左向右b对应从右向左a),经过对应位置时，从左向右运动传感器测得数据为di1，从右往左运动传感器测得数据为di2；a、b之间的距离为a，b、c之间的距离为3a，未知数据有a、b之间的水平距离为li，a、b两点之间连线与水平方向夹角为θi，a点高度为hai，b点高度为hbi；
下面详细分析了三种情况下的不同计算方法，给出了具体的计算公式。
(1)当di1＞di2时，如图10所示。
θ＝arctan((di1-di2)/7a)(1)
hbi＝di1cosθ-3asinθ(2)
hai＝di1cosθ-4asinθ(3)
li＝acosθ(4)
(2)当di1<di2时，如图10所示。
hai＝di2cosθ-3asinθ(6)
hbi＝di2cosθ-4asinθ(7)
li＝acosθ(8)
(3)当di1＝di2时，则有hai＝hbi＝di2＝di1。
以上就是法平面波纹线重构的算法，求解法平面波纹线的轮廓除了以上信息，还要知道直线度检测装置的运动速度，得到各个点的横坐标，本算法以检测装置做匀速直线为例，对其求解。通过已知a、b点的水平位置和对应a、b点的高度值hai、hbi，得到基准板表面轮廓波形。算法具体流程如图2下半部分所示。
步骤1.3，基准板法平面波纹线的重构
得到左推和右推的位移法平面波纹线检测数据后，利用上面的数据处理算法，将数据导入算法中进行数据处理，就可以得到基准板的直线度和平面度；该步骤为基准板法平面波纹线的检测，还不能够直接得到导轨安装面的法平面波纹线，但这一步试验是检测导轨安装面法平面波纹线的基础，同时基准板法平面波纹线的准确性直接影响了导轨安装面法平面波纹线的精度。
步骤2，基于基准板的导轨安装面直线度的测量
在每次检测中，工人推动三直线接触平面度检测仪的力度时大时小，检测装置的运动速度也不尽相同，通过在水平位置安放的激光位移传感器，可以实时测量检测装置的运动轨迹，针对不同的速度，根据自主设计的数据仿真算法，得到活动接触线与理想的平面接触时的形貌数据。在得到理论的数据之后，对机床导轨安装面法平面波纹线进行左推和右推的检测，得到检测数据，将两个数据进行相减，就会得到机床导轨安装面法平面波纹线的准确数据，结构原理分析如图3所示。由图可以看出，理想直线为m，基于理想直线的理论检测值为cm，机床导轨安装面法平面波纹线的形貌为n，检测的真实试验数据值应为cn，相对于理想直线的导轨安装面法平面波纹线的值应为mn。
通过步骤1得到基准板法平面波纹线之后，就可以对导轨安装面法平面波纹线形貌进行检测，检测方法十分简单，将基准板放在机床导轨安装面上，将检测装置的固定接触线a、b放在基准板上并始终与基准板接触，在左推和右推的试验中都要保证固定接触线不离开基准板表面，同时活动接触线c要保证始终与导轨安装面接触；
用数据存储装置记录并存储试验数据，两个激光位移传感器分别记录检测装置的时间位移数据和时间距离数据，机床导轨安装面法平面波纹线试验数据的处理方法与基准板法平面波纹线试验数据的处理方法有些相同的地方，都是经过数据截取、数据插值、数据重新组合这几个步骤，不同的是要根据实际的推动速度基于基准板法平面波纹线生成理想直线下的数据，然后再将检测的结果和步骤1得到的理论结果进行相减，得到最终的机床导轨安装面法平面波纹线。
根据已知的基准板法平面波纹线形貌和前面步骤1中的试验数据重构算法并且在已知三直线接触平面度检测仪的时间位移变化的曲线，就可以求得在理想平面条件下做试验的试验数据，即理想数据。通过检测数据和理想数据的差值，就可以得到任意平面的法平面波纹线。
检测的波纹线是基准板法平面波纹线和导轨安装面的法平面波纹线叠加的，需要将里边含有的基准板法平面波纹线进行分离，即将测得的最终的叠加的法平面波纹线的数值与原基准板表面法平面波纹线的数值相减得到最终的机床导轨安装面法平面波纹线。利用最小包容区域法，对导轨安装面的直线度进行评估。
本发明的有益效果：
本发明围绕数控机床进给系统装配指标检测方法，基于工程实际检测手段，提出了一种新的、更准确的、更高效的检测装置及方法。着重从装置的结构组成、实现方法、对应算法三个方面对自行设计的导轨安装面直线度检测装置进行了详细的阐述。验证了该检测装置所能达到的准确性和可靠性。此装置及方法所产生的误差大小符合工程实际需要，工人容易操作，检测精度相比于千分表提高了数十倍。同时由于该装置能够结合数据处理程序使用，最终可以得到整个导轨的表面轮廓数据，可以实现有针对性的表面研磨，因而工人的工作效率至少能提高200％。
附图说明
图1本发明所提出的变尺度平面度检测原理图；
图2是数据处理及法平面波纹线重构算法流程图；
图3是准确数据的原理分析图；
图4是仿真的表面形貌图；
图5是仿真的表面形貌图；
图6是数据仿真时检测装置的三种位置图；(a)是b点高于a点情况，(b)是b点低于a点情况，(c)是两点等高情况；
图7是试验数据仿真算法的流程图；
图8是不同速度下重构表面形貌与原仿真形貌的误差分析图；
图9是一种检测装置的示意图；(a)是主视图，(b)是左视图。
图10是测量基准板表面形貌时原始数据；(a)是时间位移数据，(b)是时间距离数据；
图11是处理后的位移数据图和距离数据图；(a)是处理后的时间位移图，(b)是理后的时间距离图；
图12是基准板的表面形貌重构图；
图13是左推与右推理论数据与试验数据误差分析图；
图14是检测导轨安装面时的检测值与理论值对比图；
图15是导轨安装面表面形貌图；
图16是整个导轨安装面平面度检测示意图；
图中：1基准板；2检测机构；3待检测面；4激光位移传感器；5机架；6检测块；7法兰盘；8滑块；9导轨；10弹簧；11活动接触线c；12固定接触线a和b。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
一种算法仿真，用于验证本发明中涉及到算法的准确性。
步骤一、机械加工表面法平面波纹线模拟；
majumdar-bhushan分形函数因其具有连续性、处处不可微和自仿射性，在机械工程中常用来描述机械加工表面轮廓曲线，其数学模型的离散形式为：
式中z(x)为随机表面轮廓高度、g是反应轮廓大小的特征尺度系数，γn＝1/l(l为采样长度)表示随机轮廓的空间频率，nl是轮廓最低截止频率，d为轮廓的分形维数，取值范围1<d<2，γ＝1.5。
模拟的表面轮廓高度应符合机床导轨安装面平面度的精度范围，通过调研，机床导轨平面度的精度范围在10μm-50μm，通过计算模拟，本实施例中选取系数λ＝0.02，l＝30mm，d＝1.5，γ＝1.5，得到新的离散型公式为：
根据上面调整过的分形函数，可以得到仿真的表面形貌图4。
步骤二、模拟表面上a、b投影点的确定；
在检测过程中需要将检测装置从左往右和从右往左在基准板表面上进行反复的人工推动检测，得到两组数据(左推数据、右推数据)，再对此数据用算法进行数据处理得从而得到最终的检测结果。在试验数据仿真这个问题上，需要先找到分别从左右两个方向推动时的固定线所对应的位置坐标，才能最终得到仿真的试验数据。
根据三直线接触平面度检测装置的设计尺寸，固定接触线a、b经过线切割加工的处理，可以得到准确的、固定不变的位置关系，即固定接触线a与b的距离为a。在从左向右推动三直线接触平面度检测装置时，以固定接触线a与检测样板接触的位置为基准，搜索b点的位置。
当α＝|a-d|,α<ε时，就可以认为此坐标值为b点的位置。设a点坐标为(xa,ya)，b点坐标为(xb,yb)，利用自主编辑的搜索算法，搜寻满足精度的点，d的计算公式如下。
根据以上叙述，先计算出总的数据点数n，知道要搜索点数的极限，再计算理论的点数n，这是根据检测装置的物理距离a和采样频率共同确定的，左推b点位置搜索算法的流程图，如图5所示。
右推b点位置搜索算法也是线计算总的点数n，再计算实际需要搜索的点数n，代入已知的固定接触线a的位置，根据a点的位置，由推动速度和采样频率共同确定，当搜索的点达到搜索精度的时候，会输出数据，并进行存储数据，其算法流程图与左推b点位置搜索算法流程图一致，只是搜索起点以及搜索方向相反。
步骤三、试验数据的模拟；
设从左向右运动传感器测得数据为d1。已知a、b之间的距离为a＝40mm，b、c之间的距离为3a，a、b之间的水平距离为l，纵坐标分别为ya、yb，横坐标为xa、xb，a、b两点之间连线与水平方向夹角为θ，a点高度为ha，b点高度为hb，求解d1。以下为求解d1的算法。
共分为三种情况，每一种情况都有对应的公式和位置图进行详细的说明，通过位置分析可以得到相应的公式，再将公式进行编辑，最终得到数据。
(1)当yb>ya时，如图6(a)所示。
l＝xb-xa(4)
θ＝arctan((yb-ya)/l)(5)
lmn＝yb/sin(θ)+3a(6)
d1＝lmn·tan(θ)(7)
(2)当yb<ya时，如图6(b)所示。
θ＝arctan((ya-yb)/l(8)
lmn＝yb/sin(θ)-3a(9)
d1＝lmn·tan(θ)(10)
(3)当yb＝ya时，如图6(c)所示。此时有θ＝0°和d1＝ya＝yb。
根据以上的算法，用matlab软件进行编辑，基准板的理论高度为5mm，从而可以得到左推和右推的三直线接触平面度检测装置的仿真试验数据，仿真的试验数据以推动速度v＝100mm/s为例进行计算和算法的编辑，在已经得到法平面波纹线形貌的基础上，进行计算得到仿真结果。右推和左推所采用的计算过程以及算法模型与左推都是一致的，按照以下的算法编辑程序就能得到高精度的仿真数据。如图7所示，是试验数据算法的计算流程图，可以明确的看到各种情况的计算步骤和方法，三种情况的具体计算方法也被明确的表达出来，
步骤1.4，法平面波纹线的重构
从左向右和从右向左运动时机构a、b点经过基准板表面相同的点，设测得基准板表面波峰波谷共n个，从左向右得到的第一个数据与从右向左第n个数据对应基准板相同的位置(从左向右a对应从右向左b，从左向右b对应从右向左a),经过对应位置时，从左向右运动传感器测得数据为d1，从右往左运动传感器测得数据为d2。a、b之间的距离为a，b、c之间的距离为3a，未知数据有a、b之间的水平距离为l，a、b两点之间连线与水平方向夹角为θ，a点高度为ha，b点高度为hb。根据上文提到的法平面波纹线重构的算法进行求解，要求解法平面波纹线的轮廓除了以上信息，还要知道三直线接触平面度检测仪的运动速度，这样就知道了各个点的横坐标，本实例以检测装置做匀速直线为例，对其求解。通过已知a、b点的水平位移和对应a、b点的高度值，得到基准板表面轮廓波形。
得到法平面的重构形貌后，验证重构的表面形貌与原本仿真形貌的重合度是否满足精度要求。将原先通过自主编辑的算法仿真的法平面波纹线形貌与算法最终重构的法平面波纹线形貌的纵坐标数值相减，以模拟速度v＝20mm/s、v＝40mm/s、v＝80mm/s、v＝100mm/s、v＝160mm/s、v＝200mm/s这6种情况为例，绘制误差分析图，如图8所示。可知重构轮廓的算法精度非常高，误差在0.0003mm的范围内，算法精度满足实际使用要求，可以用于处理数据。
实施例2
一种三直线接触平面度检测装置，用作检测机床导轨安装面直线度。
如图9中所示，是一种满足上面要求的一种装置。包括激光位移传感器4、机架5、检测块6、法兰盘7、滑块8、导轨9、弹簧10、活动接触线c11、固定接触线a和b12。机架5由两个钢板焊接完成，其中底部钢板钻有多组螺栓孔，右侧钢板加工有2组相互平行的u形槽，两块钢板垂直安装，垂直度符合所设计的精度，是首先用胶进行固定，之后进行焊接。固定接触线a、b(12)作为一个整体通过螺栓固定在机架的底部钢板上，其位置可以通过机架上的螺栓孔进行调节。激光位移传感器4、法兰盘7通过螺栓固定在机架的右侧钢板上，它们的位置可以通过机架上的竖直u形槽进行调节。滑块8被法兰盘压紧在钢板的侧面上，检测块6与活动接触线c(10)分别通过螺栓与导轨相连，而导轨9可以在滑块8中进行上下的滑动。在活动接触线c与固定在法兰盘上的滑块之间安有弹簧10，弹簧可以保证接触线c始终与被检测面接触。
第一步将三直线接触式平面度检测装置放置在基准板上，具体放置方式参照图1，反复的用手左推、右推数次。左推和右推时检测装置的水平位移随时间的变化情况如图10(a)所示。如图10(b)所示是左推和右推的三直线接触式平面度检测装置检测的数据被数据收集装置收集的结果，图像是推动时间与距离数据的表达。据图可以看出在水平位置的激光位移传感器开始数据采集和结束数据采集是距离不变，符合试验数据处理算法所处理的数据特点，处理后的时间位移以及时间距离图如图11所示。得到左推和右推的位移法平面波纹线检测数据后，利用上面的数据处理算法，将数据导入已经编辑好的算法中，进行数据处理，。就可以得到如图12所示基准板法平面的波纹线。
第二步是对机床导轨上任意一段直线度的测量，本实例中所测区间为pq段。通过第一步得到基准板法平面波纹线之后，就可以对导轨安装面法平面波纹线形貌进行检测，将基准板放在机床导轨安装面上，将检测装置的固定接触线a、b放在基准板上并始终与基准板接触，在左推和右推的试验中都要保证固定接触线不离开基准板表面，同时活动接触线c要保证始终与导轨安装面接触。
用数据存储装置记录并存储试验数据，两个激光位移传感器分别记录检测装置的时间位移数据和时间距离数据，机床导轨安装面法平面波纹线试验数据的处理方法与基准板法平面波纹线试验数据的处理方法有些相同的地方，都是经过数据截取、数据插值、数据重新组合这几个步骤，不同的是要根据实际的推动速度基于基准板法平面波纹线生成理想直线下的数据，然后再将检测的结果和事先得到的理论结果进行相减，得到最终的机床导轨安装面法平面波纹线。
根据已知的基准板法平面波纹线形貌和前面步骤1中的试验数据重构算法并且在已知三直线接触平面度检测仪的时间位移变化的曲线，就可以求得在理想平面条件下做试验的试验数据，即理想数据。通过检测数据和理想数据的差值，就可以得到任意平面的法平面波纹线。
如图13所示，为理论数据与试验数据的误差分析图，从图中可以看出理论算法与在大理石板上进行的左推和右推试验得到的试验数据的误差，将两组数据相减，得到图像，误差最大值为0.025mm，可以相互证明各自的准确性，因为根据检测原理得到的试验数据也会存在一定误差，根据有误差的基准板法平面波纹线进行理想的试验数据的求解就一定会存在误差，这也包括了算法的误差。所以总的误差范围在0.025mm之内，是可以根据此方法进行机床导轨安装面法平面波纹线的求解的，是有较高的准确性和可重复性的方法。
检测的波纹线是基准板法平面波纹线和导轨安装面的法平面波纹线叠加的，需要将里边含有的基准板法平面波纹线进行分离即将测得的最终的叠加的法平面波纹线的数值与原基准板表面法平面波纹线的数值相减得到最终的机床导轨安装面法平面波纹线。如图14所示，是叠加法平面波纹线与理论波纹线的对比情况。可以看出叠加的法平面波纹线与基准板法平面波纹线的变化趋势相近可以初步得出的结论是机床导轨安装面法平面波纹线的波动范围不是很大。将两组数据相减后，进行组合得到导轨安装面局部法平面波纹线如图15所示，按照最小包容区域法对其进行评定，直线度误差为。
第三步是对整个机床导轨表面形貌的检测。假设上图中所检测完的导轨安装面为pq段，接着需要再进行整个面的平面度和直线度的检测。检测步骤如下。
(1)将接触线a与p点重合，如图16所示，从左推动检测机构，到c达到待检面最右端。
(2)将检测机构从右向左推动，并且当接触线a到达刻度尺的刻度处时进行稍停处理，直到a回到p点对应的刻度上，这种间断检测进行n次，由pc104记录上述检测波纹线结果。
(3)再将接触线a与q重合，c在仪器左侧，如上述检测过程进行检测。进而得到p右侧平面和q左侧平面波纹线的两组检测结果。
通过在暂停时间内激光位移传感器所测数据几乎不变(图像几乎为一条直线)的这一特征，将其各检测阶段所对应的数据进行分离，再利用波纹度序列算法，得到连续波纹线与检测面物理尺度的对应关系。由于pq段为已知波纹线(由第二步检测可得)，依据前面提到的算法，计算出待检平面的投影波纹线，其沿接触直线方向拉伸，即为待检测平面直线度的描述。