一種數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型創(chuàng)造涉及一種數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，本裝置對(duì)激光發(fā)射器和接收器的安放位置沒有嚴(yán)格的規(guī)定，測(cè)試結(jié)果僅依賴于激光接接收器上接收的激光的相對(duì)位置關(guān)系和測(cè)試端導(dǎo)軌的初始測(cè)試偏差。測(cè)試時(shí)，固定好激光發(fā)射器，通過移動(dòng)光學(xué)鏡片組進(jìn)行等間距采集數(shù)據(jù)，也可以增加附屬牽引裝置，勻速移動(dòng)光學(xué)鏡片組，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高密度采集測(cè)試數(shù)據(jù)，提高測(cè)試精度。本實(shí)用新型的測(cè)試裝置具有精確、可靠、快速等特點(diǎn)，可一次性完成多項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的檢測(cè)工作，節(jié)省時(shí)間和人力，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著的精確性和創(chuàng)新性。
【專利說明】一種數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明創(chuàng)造涉及一種數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，屬于數(shù)控機(jī)床精度測(cè)試領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)床導(dǎo)軌型面精度的測(cè)量方法，從目前來看，主要是使用水平儀、自準(zhǔn)直儀和激光 干涉儀，水平儀操作簡(jiǎn)單、使用方便、成本較低，但精度較低，一般只能達(dá)到10?20 μ m/m。 可以測(cè)量導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度以及兩條導(dǎo)軌之間的平行度，但是測(cè)量水平面內(nèi)的直線 度就很困難，另外，測(cè)量距離長了難以保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性；自準(zhǔn)直儀成本相對(duì)激光干涉 儀測(cè)量低，但不易達(dá)到很高的精度，一般為5 μ m/m。因?yàn)楣饩€（LED發(fā)光元件）在空氣中并 非絕對(duì)準(zhǔn)直，測(cè)量范圍越大，偏差也越大，光束在傳播過程中易受到各種干擾而出現(xiàn)偏差， 并且是非連續(xù)測(cè)量，結(jié)果具有很大的隨機(jī)性；激光干涉儀具有測(cè)量距離大（40m)，測(cè)量速度 快（60m/min)，測(cè)量精度高（0.4μπι/πι)的特點(diǎn)，而且可以連續(xù)測(cè)量和采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理、顯示和打印，并且激光準(zhǔn)直性好、抗干擾能力強(qiáng)，因此更適合于車間等環(huán)境稍差的場(chǎng) 合使用，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、需要進(jìn)行補(bǔ)償。
[0003] 綜合以上儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，每一種儀器都有各自的適用范圍，但都無法一次性地快 速、精確地完成直線度、平面度和平行度的測(cè)量工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明創(chuàng)造要解決的技術(shù)問題是提供一種數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，數(shù)控 機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置通過移動(dòng)光學(xué)鏡片組進(jìn)行等間距采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高密度采 集測(cè)試數(shù)據(jù)，提高測(cè)試精度。本發(fā)明的測(cè)試裝置具有精確、可靠、快速等特點(diǎn)，可一次性完成 多項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的檢測(cè)工作，節(jié)省時(shí)間和人力。
[0005] 為解決以上問題，本發(fā)明創(chuàng)造的具體技術(shù)方案如下：在導(dǎo)軌的端部外側(cè)設(shè)有固定 放置的激光發(fā)射器，分光鏡和激光接收器，在導(dǎo)軌的上表面設(shè)有可在導(dǎo)軌上移動(dòng)的光學(xué)部 件，光學(xué)部件由兩組的光學(xué)鏡片組I和光學(xué)鏡片組II組成；分光鏡將激光發(fā)射器的輸入光 源分成兩個(gè)光路分別進(jìn)入光學(xué)鏡片組I和光學(xué)鏡片組II，每束輸入光源在光學(xué)鏡片組I和 光學(xué)鏡片組II內(nèi)分別形成一束反射回路和一束折射回路，反射光和折射光分別輸入到激光 接收器中。
[0006] 所述的分光鏡由一個(gè)Wollaston棱鏡和兩個(gè)物鏡組成，兩個(gè)物鏡的位置分別與光 學(xué)鏡片組I和光學(xué)鏡片組II的位置對(duì)應(yīng)。
[0007] 所述的光學(xué)鏡片組I的結(jié)構(gòu)為，在光學(xué)鏡片組I的中部設(shè)有正分光鏡，正分光鏡 前上方設(shè)有反射鏡I，后下方設(shè)置反射鏡II，其中正分光鏡的反射/折射面A與反射鏡I的 反射面B垂直，反射鏡II的反射面C與正分光鏡的反射/折射面A平行，且反射鏡II的反射 光位于正分光鏡的下方；其中正分光鏡為底面和頂面水平，背面和兩個(gè)側(cè)端面垂直，前表面 與底面呈α角。
[0008] 所述的光學(xué)鏡片組II的結(jié)構(gòu)為，在光學(xué)鏡片組II的中部設(shè)有反分光鏡，反分光鏡 左側(cè)設(shè)有反射鏡III，右側(cè)設(shè)置反射鏡IV，其中反分光鏡的反射/折射面D與反射鏡III的反射 面E垂直，反射鏡IV的反射面F與反分光鏡的反射/折射面D平行，且反射鏡IV的反射光位 于反分光鏡的外部；其中反分光鏡底面和頂面水平，背面和兩個(gè)側(cè)端面垂直，前表面與一端 的側(cè)端面呈α角。
[0009] 采用檢測(cè)裝置對(duì)數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)的方法，包括以下步驟：
[0010] 1)安裝檢測(cè)裝置，調(diào)整儀器，檢測(cè)導(dǎo)軌0檢測(cè)位的初始傾角偏差，即繞Υ軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 偏差s y(0)和繞Ζ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差δζ(〇)，并記錄在分析軟件中；
[0011] 2)安裝激光發(fā)射器、分光鏡、激光接收器，將光學(xué)部件安裝到導(dǎo)軌上表面0點(diǎn)檢測(cè) 位，并調(diào)整光學(xué)部件使其處于理想狀態(tài)，即無繞Υ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差S y和繞Ζ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差 δ Z ;記錄此時(shí)的返回光路在激光接收器上的位置信息以及光學(xué)部件和激光接收器的初始 距離dz(o);
[0012] 3)將光學(xué)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)試位置，測(cè)試導(dǎo)軌偏差信息。反復(fù)執(zhí)行此操 作，直至完成整個(gè)導(dǎo)軌的測(cè)試；
[0013] 4)當(dāng)光學(xué)鏡片組從0檢測(cè)位沿導(dǎo)軌移動(dòng)到η檢測(cè)位的過程中，激光接收器將接收 到一系列的反饋光路信息，經(jīng)軟件計(jì)算得到位置誤差信息：P〇(dx，d y，Sy，Sz，dz)、Pl(dx， dy，5y，δζ，(1ζ)、…Pn(dx，dy，5y，δζ，(1ζ)，將位置誤差信息作為曲面的構(gòu)造點(diǎn)，以及初 始檢測(cè)位的偏差S y(〇)和δ ζ(〇)，即可得到單個(gè)導(dǎo)軌的型面誤差；
[0014] 5)重復(fù)步驟1-4應(yīng)用在另一個(gè)平行布置的導(dǎo)軌上，即可得到另一條導(dǎo)軌的型面誤 差；
[0015] 6)經(jīng)對(duì)比可得到平行度誤差。
[0016] 該測(cè)試裝置采用上述結(jié)構(gòu)具有精確、可靠、快速等特點(diǎn)，通過光學(xué)鏡片組沿導(dǎo)軌的 移動(dòng)，將激光信號(hào)分成反射光和折射光兩個(gè)光路信號(hào)，反饋回激光接收器，信號(hào)通過數(shù)據(jù)采 集儀實(shí)時(shí)傳遞至PC機(jī)，經(jīng)由PC機(jī)內(nèi)置的專用軟件對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，計(jì)算導(dǎo) 軌的型面誤差和三維型面輪廓圖，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)給出一個(gè)全面的導(dǎo)軌型面評(píng)測(cè)結(jié)果，可 一次性完成多項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的檢測(cè)工作，節(jié)省時(shí)間和人力。
[0017] 本裝置對(duì)激光發(fā)射器和接收器的安放位置沒有嚴(yán)格的規(guī)定，測(cè)試結(jié)果僅依賴于激 光接接收器上接收的激光的相對(duì)位置關(guān)系和測(cè)試端導(dǎo)軌的初始測(cè)試偏差。測(cè)試時(shí)，固定好 激光發(fā)射器，通過移動(dòng)光學(xué)鏡片組進(jìn)行等間距采集數(shù)據(jù)，也可以增加附屬牽引裝置，勻速移 動(dòng)光學(xué)鏡片組，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高密度采集測(cè)試數(shù)據(jù)，提高測(cè)試精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為光學(xué)部件組成及光路示意圖。
[0020] 圖3為正分光鏡三維模型示意圖。
[0021] 圖4為光學(xué)鏡片組5截面示意圖。
[0022] 圖5為反分光鏡三維模型示意圖。
[0023] 圖6為光學(xué)鏡片組6的截面示意圖。
[0024] 圖7為沿X軸向移動(dòng)偏差+繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)偏差光路分析示意圖。
[0025] 圖8為偏差d2求解示意圖。
[0026] 圖9測(cè)試結(jié)果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本專利做進(jìn)一步的說明。
[0028] 如圖1和圖2所示，本專利的數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置是由一個(gè)激光發(fā)射 器（1)、一個(gè)分光鏡（2)、一個(gè)可在導(dǎo)軌上移動(dòng)的光學(xué)部件（4)和一個(gè)激光接收器（3)組成。 分光鏡2由一個(gè)wollaston棱鏡（2-1)和兩個(gè)物鏡（2-2)組成，將激光發(fā)射器發(fā)射的激光 分成兩束平行光；兩束平行光分別進(jìn)入光學(xué)部件（4)中的光學(xué)鏡片組I (5)和光學(xué)鏡片組 II (6)中，每個(gè)光學(xué)鏡片組中再將激光的輸入光源分成一個(gè)折射光和一個(gè)反射光并通過反 射鏡反射給激光接收器（3)中。
[0029] 光學(xué)鏡片組（5)可以測(cè)試沿X軸的移動(dòng)偏差和繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差，由一個(gè)正分光 鏡和兩個(gè)反射鏡組成。如圖3所示，正分光鏡（5-1)為底面和頂面水平，背面和兩個(gè)側(cè)端面 垂直，反射/折射面A與底面呈α角，其中反射/折射面A與底面的交線為plp2,底面寬度 為a。如圖4所不，其中在光學(xué)鏡片組I (5)中部為正分光鏡（5-1)，正分光鏡（5-1)前上 方設(shè)有反射鏡I (5-2)，后下方設(shè)置反射鏡II (5-3)，其中正分光鏡（5-1)的反射/折射面 A與反射鏡I (5-2)的反射面B垂直，反射面B距直線plp2的距離為b;反射鏡II (5-3)的 反射面C與正分光鏡（5-1)的反射/折射面A平行，反射面C距平面A的距離為c，且反射 鏡II (5-3)的反射光位于正分光鏡（5-1)的下方。
[0030] 光學(xué)鏡片組（6)可以測(cè)試沿Y軸的移動(dòng)偏差和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差，由一個(gè)反分光 鏡和兩個(gè)反射鏡組成。如圖5所示，反分光鏡（6-1)底面和頂面水平，背面和兩個(gè)側(cè)端面垂 直，反射/折射面D與一端的側(cè)端面呈α角，其中反射/折射面D與底面的交線為p5p6,底 面寬度為a。如圖6所不，光學(xué)鏡片組II (6)的中部設(shè)有反分光鏡（6-1)，反分光鏡（6-1) 左側(cè)設(shè)有反射鏡III (6-2)，右側(cè)設(shè)置反射鏡IV (6-3)，其中反分光鏡（6-1)的反射/折射面 D與反射鏡III (6-2)的反射面E垂直，反射面E距直線p5p6的距離為b，反射鏡IV (6-3)的 反射面F與反分光鏡（6-1)的反射/折射面D平行，反射面F反射/折射面D的距離為c， 且反射鏡IV (6-3)的反射光位于反分光鏡（6-1)的外部。
[0031] 測(cè)試時(shí)，首先檢測(cè)如圖1所示的導(dǎo)軌0點(diǎn)檢測(cè)位的初始傾角偏差，即繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 偏差s y(0)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差δζ(〇)，并記錄在分析軟件中。
[0032] 安裝激光發(fā)射器（1)、分光鏡（2)、激光接收器（3)，將光學(xué)部件（4)安裝到導(dǎo)軌上 表面〇檢測(cè)位，并調(diào)整光學(xué)部件⑷使其處于理想狀態(tài)，即無繞Υ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差S y和繞Ζ 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差Sz。記錄此時(shí)的返回光路在激光接收器上的位置信息以及光學(xué)部件（4)和 激光接收器（3)的初始距離dz (0)。
[0033] 將光學(xué)部件（4)沿導(dǎo)軌移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)試位置，測(cè)試導(dǎo)軌偏差信息。反復(fù)執(zhí)行此 操作，直至完成整個(gè)導(dǎo)軌的測(cè)試。
[0034] 以圖1中的右上角的坐標(biāo)系建立直角坐標(biāo)系，當(dāng)光學(xué)鏡片組從0檢測(cè)位沿導(dǎo)軌移 動(dòng)到η檢測(cè)位的過程中，激光接收器將接收到一系列的反饋光路信息，經(jīng)軟件計(jì)算得到位 置誤差信息：P〇(dx，dy，5y，5z，dz)、Pl(dx，dy，5y，δζ，（1ζ)、…Pn(dx，dy，5y，δζ， dz)，將位置誤差信息作為曲面的構(gòu)造點(diǎn)，以及初始檢測(cè)位的偏差Sy(〇)和δζ(〇)，即可得 到如附圖7的繪圖結(jié)果。此測(cè)試結(jié)果包括了單個(gè)導(dǎo)軌的型面誤差，若用同法測(cè)得另一個(gè)平 行布置導(dǎo)軌的型面誤差，即可分析出導(dǎo)軌的平行度誤差。
[0035] 本專利技術(shù)的工作原理：
[0036] 當(dāng)安裝在導(dǎo)軌（10)上的光學(xué)部件（4)沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，在任一檢測(cè)位置將出現(xiàn)以下 幾種偏差：
[0037] ①沿X軸的移動(dòng)偏差；
[0038] ②沿Y軸的移動(dòng)偏差；
[0039] ③繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差；
[0040] ④繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差。
[0041] 當(dāng)使用如附圖3所示的正分光鏡（5-1)時(shí)，光學(xué)鏡片組（5)對(duì)偏差②和偏差④具 有非敏感性，因此對(duì)于光學(xué)鏡片組（5)只需考慮偏差①和偏差③。同理，當(dāng)使用如附圖7所 不的反分光鏡（6-1)時(shí)，光學(xué)鏡片組（6)對(duì)偏差①和偏差③具有非敏感性，因此對(duì)于光學(xué)鏡 片組（6)只需考慮偏差②和偏差④。
[0042] 以下對(duì)光學(xué)鏡片組（5)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，其過程同樣適合光學(xué)鏡片組（6)的 推導(dǎo)。
[0043] 參照?qǐng)D7所示，以正分光鏡（5-1)的右下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。假設(shè)存 在沿偏差X軸的移動(dòng)偏差為d,繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差為Θ。
[0044] 當(dāng)光線水平入射到光學(xué)鏡片組（5)時(shí)，在無繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差時(shí)，其入射角為β， 并有β = 90-α ;當(dāng)存在Θ角的繞Υ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏差時(shí)，其入射角為β + θ。
[0045] 光源入射直線方程為：
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，其特征在于：在導(dǎo)軌（10)的端部外側(cè)設(shè)有固 定放置的激光發(fā)射器（1)，分光鏡（2)和激光接收器（3)，在導(dǎo)軌（10)的上表面設(shè)有可在導(dǎo) 軌上移動(dòng)的光學(xué)部件（4)，光學(xué)部件（4)由兩組的光學(xué)鏡片組I (5)和光學(xué)鏡片組II (6)組 成；分光鏡（2)將激光發(fā)射器（1)的輸入光源分成兩個(gè)光路分別進(jìn)入光學(xué)鏡片組I (5)和光 學(xué)鏡片組II (6)，每束輸入光源在光學(xué)鏡片組I (5)和光學(xué)鏡片組II (6)內(nèi)分別形成一束反 射回路和一束折射回路，反射光和折射光分別輸入到激光接收器（3)中。
2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，其特征在于：所述的分光鏡 (2 )由一個(gè)wol laston棱鏡（2-1)和兩個(gè)物鏡（2-2 )組成，兩個(gè)物鏡（2-2 )的位置分別與光 學(xué)鏡片組I (5)和光學(xué)鏡片組II (6)的位置對(duì)應(yīng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，其特征在于：所述的光學(xué)鏡 片組I (5)的結(jié)構(gòu)為，在光學(xué)鏡片組I (5)的中部設(shè)有正分光鏡（5-1)，正分光鏡（5-1)前 上方設(shè)有反射鏡I (5-2)，后下方設(shè)置反射鏡II (5-3)，其中正分光鏡（5-1)的反射/折射 面A與反射鏡I (5-2)的反射面B垂直，反射鏡II (5-3)的反射面C與正分光鏡（5-1)的反 射/折射面A平行，且反射鏡II (5-3)的反射光位于正分光鏡（5-1)的下方；其中正分光鏡 (5-1)為底面和頂面水平，背面和兩個(gè)側(cè)端面垂直，前表面與底面呈α角。
4. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌型面快速檢測(cè)裝置，其特征在于：所述的光學(xué)鏡 片組II (6)的結(jié)構(gòu)為，在光學(xué)鏡片組II (6)的中部設(shè)有反分光鏡（6-1)，反分光鏡（6-1)左側(cè) 設(shè)有反射鏡111(6-2)，右側(cè)設(shè)置反射鏡IV (6-3)，其中反分光鏡（6-1)的反射/折射面D與反 射鏡III(6-2)的反射面Ε垂直，反射鏡IV (6-3)的反射面F與反分光鏡（6-1)的反射/折射 面D平行，且反射鏡IV(6-3)的反射光位于反分光鏡（6-1)的外部；其中反分光鏡（6-1)底 面和頂面水平，背面和兩個(gè)側(cè)端面垂直，前表面與一端的側(cè)端面呈α角。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK204064262SQ201420478877
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】李焱, 馬曉波, 謝志坤, 仇健, 劉啟偉, 王海濱, 葛任鵬 申請(qǐng)人:沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司