一种基于标准平晶与自准值仪的导轨角误差测量方法

1.本发明属于机床的设计与制造领域的精密测量技术，具体涉及一种基于标准平晶与自准值仪的导轨角误差测量方法。


背景技术：

2.滚动角误差(roll error)是位置相关量，为一种位置相关的几何误差(简称pdges，position-dependent geometric errors)。滚动角误差在固定桥式轮廓中是一项敏感的角度误差，同时传统双频干涉仪自带组件无法辨识线性导轨的滚动误差。阿贝误差是由导轨角度误差和阿贝臂共同作用的结果。即使角度误差很小，也可能因为较大的阿贝臂长产生一个较大的阿贝误差。角度误差的测量中，已经有比较成熟的方法对俯仰角(pitch)和偏转角(yaw)进行辨识，俯仰角和偏转角误差常用的设备为自准直仪，差分干涉仪，电子水平仪和多普勒标尺。滚动角误差的测量是所有角度误差测量中最困难的，也是最不容易实现高精度的一项误差测量，因此对于滚动角误差的高精度测量研究仍然是一项重要和迫切的任务。现有技术一般通过复杂的光路系统实现滚动角误差0.13
″
分辨率的测量，测量滚动角误差常用设备有自准直仪、多平晶、多位移传感器等。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于标准平晶与自准值仪的导轨角误差测量方法，本发明能够广泛应用机床几何误差的辨识与补偿，测量过程简便易行，极大方便了机床几何误差的测量，实现较快的机床几何误差补偿，提升导轨的运动精度。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于标准平晶与自准值仪的导轨角误差测量方法，包括：
6.1)将标准平晶固定于被测量的导轨的x轴滑块上以随x轴滑块一起运动；
7.2)调整标准平晶的平晶面与导轨的运动方向平行；
8.3)将自准直仪的光束对准平晶面的中心并使其经平晶面反射后射入自准直仪，将自准直仪固定不动，调整自准直仪至工作状态；
9.4)静置自准直仪与标准平晶至自准直仪示数产生微小跳动时跳转下一步；
10.5)控制x轴滑块与标准平晶沿着x轴方向移动，并通过自准直仪测量得到光轴与z方向的夹角作为滚动角误差。
11.可选地，步骤5)中还包括通过自准直仪测量得到光轴与x方向的夹角作为偏转角误差。
12.可选地，步骤1)之后还包括：
13.s1)调整标准平晶的平晶面与导轨的运动方向垂直；
14.s2)将自准直仪的光束对准平晶面的中心并使其经平晶面反射后射入自准直仪，将自准直仪固定不动，调整自准直仪至工作状态；
15.s3)静置自准直仪与标准平晶至自准直仪示数产生微小跳动时跳转下一步；
16.s4)控制x轴滑块与标准平晶沿着x轴方向移动，并通过自准直仪测量得到光轴与z方向的夹角作为俯仰角误差。
17.可选地，步骤s4)中还包括通过自准直仪测量得到光轴与y方向的夹角作为偏转角误差。
18.可选地，步骤5)中还包括重复多次测量得到多个滚动角误差，并计算多个滚动角误差的最大值和最小值之间的差值的步骤；步骤5)中还包括重复多次测量得到多个偏转角误差，并计算多个偏转角误差的最大值和最小值之间的差值的步骤；步骤5)中还包括重复多次测量得到多个俯仰角误差，并计算多个俯仰角误差的最大值和最小值之间的差值的步骤。
19.可选地，所述标准平晶的平晶面面形精度小于100nm pv。
20.可选地，所述标准平晶的长度不小于被测量的导轨的行程。
21.可选地，所述标准平晶的平晶面上设有一条沿着标准平晶的长度方向布置的基准线，步骤5)中通过自准直仪测量得到光轴与z方向的夹角作为滚动角误差时，包括将自准直仪沿着标准平晶的平晶面上基准线进行测量。
22.可选地，所述自准直仪示数产生微小跳动是指自准直仪接入电脑端后软件界面显示测量角度示数小于设定下限值的跳动。
23.可选地，步骤4)之后、步骤5)之前还包括对静止状态下的系统误差进行标定，以获得测量光轴与x方向的夹角的静态误差和测量光轴与z方向的夹角的静态误差。
24.和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
25.1、本发明在采用的标准平晶与自准直仪具有较高精度，测量受到外界影响因素较少，测量精度高。
26.2、本发明采用标准平晶与自准直仪即可实现测量，测量原理简单易行。
27.3、本发明的适用对象可以广泛应用于各种测量机床导轨、加工机床导轨角度误差的测量与补偿。
28.4、本发明方法可实现导轨的滚动角误差测量，还可以进一步扩展测量俯仰角误差和偏转角误差。
附图说明
29.图1为本发明实施例方法的滚动角误差测量流程示意图。
30.图2为本发明实施例中测量滚动角误差时的装置安装结构示意图。
31.图3为本发明实施例中自准直仪的工作原理示意图。
32.图4为本发明实施例中静止状态下的系统误差的标定结果。
33.图5为本发明实施例中测量俯仰角误差时的装置安装结构示意图。
34.图6为本发明实施例中重复多次测量和前四次多次测量的对比示意图。
具体实施方式
35.如图1所示，本实施例基于标准平晶与自准值仪的导轨角误差测量方法包括：
36.1)将标准平晶固定于被测量的导轨的x轴滑块上以随x轴滑块一起运动；
37.2)调整标准平晶的平晶面与导轨的运动方向平行，如图2所示，其中a为标准平晶的平晶面，b为导轨，导轨的运动方向如图中箭头所示；
38.3)将自准直仪(如图2中c所示)的光束对准平晶面的中心并使其经平晶面反射后射入自准直仪，将自准直仪固定不动，调整自准直仪至工作状态；
39.4)静置自准直仪与标准平晶至自准直仪示数产生微小跳动时跳转下一步；
40.5)控制x轴滑块与标准平晶沿着x轴方向移动，并通过自准直仪测量得到光轴与z方向的夹角作为滚动角误差。作为一种可选的实施方式，本实施例步骤5)中还包括通过自准直仪测量得到光轴与x方向的夹角作为偏转角误差。
41.标准平晶的平晶面面形精度越高，则测量角度精度越高；一般而言，标准平晶的平晶面面形精度小于100nm pv。标准平晶可根据需要采用先进制造方法获得，包括计算机控制修形，磁流变等确定性修形技加工获得。标准平晶的长度不小于被测量的导轨的行程，从而能够在测量导轨的滚动角误差过程中测量导轨全行程的滚动角误差。平晶大小要求与导轨行程大小相当即可。
42.本实施例中，标准平晶的平晶面上设有一条沿着标准平晶的长度方向布置的基准线，步骤5)中通过自准直仪测量得到光轴与z方向的夹角作为滚动角误差时，包括将自准直仪沿着标准平晶的平晶面上基准线进行测量。该基准线具有较高精度以保证滚动角误差测量的准确性，该基准线的斜率误差是影响滚动角误差测量精度的主要误差。
43.本实施例中，自准直仪采用trioptics公司生产的optiangle系列，型号ta us 300-57，焦距为300mm，角度分辨率为0.005
″
，重复测量精度为0.03
″
，10
″
范围测量精度为
±
0.05
″
。
44.如图3所示，自准直仪光源的照明分光罩(划板)经过物镜成像后，将准直光束投射到无限远处，经物体表面(反射镜)反射回来。物体表面(反射镜)的镜面和光轴的垂直度由夹角α表示，反射光束偏转2α进入物镜，那么反射像在ccd处产生位移d，计算方法如下：α＝d/(2f)，其中f为物镜的有效焦距。自准直仪的分辨率由物镜的有效焦距f和视场角决定。在电子自准直仪中，像的位移通过ccd传感器解析得到，与参考像和仪器内部光轴有关。测量过程中，自准值仪保持不动，测量标准平晶在x轴运动过程中光轴与z方向的夹角，这个角度即为x轴的滚动角误差。由于标准平晶的面形精度高，因此测量装置的系统误差较小。其中，自准直仪示数产生微小跳动是指自准直仪接入电脑端后软件界面显示测量角度示数小于设定下限值的跳动。
45.在测量过程中，由于环境的振动，标准平晶的精度对测量结果的影响较为严重，需要在测量前进行标定，具体地，本实施例步骤4)之后、步骤5)之前还包括对静止状态下的系统误差进行标定，以获得测量光轴与x方向的夹角的静态误差和测量光轴与z方向的夹角的静态误差。本实施例中，获得测量光轴与x方向的夹角的静态误差和测量光轴与z方向的夹角的静态误差如图4所示，其中上侧曲线为测量光轴与z方向的夹角的静态误差，下侧曲线为测量光轴与x方向的夹角的静态误差，根据图4可知：静止状态下，测量系统在测量与z方向的夹角时，静态误差2δ为
±
0.041
″
；测量与x方向的夹角时静态误差2δ为
±
0.035
″
。
46.此外，基于前述步骤1)～5)的思路，本实施例中还可以将步骤2)～5)进行微调以实现对俯仰角误差的测量。具体地，步骤1)之后还包括：
47.s1)调整标准平晶的平晶面与导轨的运动方向垂直，如图5所示，其中a为标准平晶
的平晶面，b为导轨，导轨的运动方向如图中箭头所示；
48.s2)将自准直仪(如图5中c所示)的光束对准平晶面的中心并使其经平晶面反射后射入自准直仪，将自准直仪固定不动，调整自准直仪至工作状态；
49.s3)静置自准直仪与标准平晶至自准直仪示数产生微小跳动时跳转下一步；
50.s4)控制x轴滑块与标准平晶沿着x轴方向移动，并通过自准直仪测量得到光轴与z方向的夹角作为俯仰角误差。在实现对俯仰角误差的测量的基础上，还可以提供另一种偏转角误差测量方法，具体地，步骤s4)中还包括通过自准直仪测量得到光轴与y方向的夹角作为偏转角误差，即：当平晶面与导轨运动方向平行时，测量获得导轨的滚动角和偏转角误差，当平晶与导轨运动方向垂直时，得到俯仰角和偏转角误差。
51.作为一种可选的实施方式，本实施例步骤5)中还包括重复多次测量得到多个滚动角误差，并计算多个滚动角误差的最大值和最小值之间的差值的步骤；步骤5)中还包括重复多次测量得到多个偏转角误差，并计算多个偏转角误差的最大值和最小值之间的差值的步骤；步骤5)中还包括重复多次测量得到多个俯仰角误差，并计算多个俯仰角误差的最大值和最小值之间的差值的步骤。最终，本实施例中得到的测量结果如图6所示，其中下侧往下倾斜的四组曲线为前4次的测量结果，上侧往上倾斜的一组曲线为多次重复测量结果，横坐标x为导轨的x轴运动量，纵坐标roll/arcsec表示滚动角。根据多次重复测量结果表明：在200mm行程范围内，导轨滚动角误差逐渐变大，滚动角误差最大值与最小值的差值为1.07
″
，多次测量重复性为
±
0.0975
″
(3δ)。以上结果说明，x轴导轨的滚动角误差为1.07
″
/200mm；同时利用自准直仪和标准平晶测量的滚动角误差具有较高的重复性，在
±
3δ范围内可达
±
0.0975
″
。
52.综上所述，本实施例基于标准平晶与自准值仪的导轨角误差测量方法能够广泛应用于机床几何误差的辨识与补偿，测量过程简便易行，极大地方便了机床几何误差(导轨角误差)的测量，实现较快的机床几何误差补偿以提升导轨的运动精度，具有测量方便、测量精度高、测量重复性好的优点。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。