本實用新型涉及數(shù)控機床熱定位誤差測量領(lǐng)域，具體是一種用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置。

背景技術(shù)：

機床熱定位誤差是指由于高速切削或快速進給造成機床主要部件產(chǎn)生不均勻的溫度場，使得機床在熱效應(yīng)影響下發(fā)生熱變形所引起的定位誤差。隨著數(shù)控機床向高速、高精密和大型復(fù)合化方向發(fā)展，機床運動軸的熱定位誤差對機床性能提升起關(guān)鍵作用。目前，數(shù)控機床熱定位誤差的測量裝置主要是把位移傳感器安裝在機床的關(guān)鍵部位，采集機床的熱變形信號，然后利用信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡調(diào)理和傳輸信號，最后利用上位機軟件對數(shù)據(jù)進行后處理得到熱定位誤差。此裝置能夠準確的測量數(shù)控機床熱定位誤差，但是此裝置忽略了在實際測量中由于機床的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的布置測點難、傳感器安裝難的問題，同時這些裝置利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，忽略了數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集能力弱、抗干擾能力弱的缺點。因此，設(shè)計一種高精度的熱定位誤差測量裝置對獲得運動軸的熱定位誤差以提高機床的加工精度，具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型擬解決的技術(shù)問題是，提供一種用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置。

本實用新型解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置，其特征在于該裝置包括激光干涉儀、支架、云臺、第一磁力基座、第二磁力基座和數(shù)據(jù)處理端計算機；所述激光干涉儀包括激光頭、線性干涉鏡和第二線性反射鏡；所述線性干涉鏡包括分光鏡和第一線性反射鏡；所述數(shù)據(jù)處理端計算機通過數(shù)據(jù)傳輸線與激光頭連接；

三軸加工中心線性軸分為X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，針對不同方向的線性軸，裝置的安裝方式不同：

X軸方向：所述激光頭安裝在云臺上，云臺固定安裝在支架上；支架固定于水平面上，位于三軸加工中心的一側(cè)；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在三軸加工中心的X軸上，沿X軸做直線運動，位于三軸加工中心的另一側(cè)；線性干涉鏡通過第二磁力基座安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性干涉鏡位于激光頭和第二線性反射鏡之間；激光頭、線性干涉鏡的分光鏡和第二線性反射鏡三者的中心在同一直線上；

Y軸方向：將激光頭安裝在云臺上，云臺固定安裝在支架上；支架固定于水平面上，位于三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在三軸加工中心的Y軸上，沿Y軸做直線運動；線性干涉鏡通過第二磁力基座安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性干涉鏡位于激光頭和第二線性反射鏡之間；激光頭、線性干涉鏡的分光鏡和第二線性反射鏡三者的中心在同一直線上；

Z軸方向：將激光頭安裝在云臺上，云臺固定安裝在支架上；支架固定于水平面上，位于三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在三軸加工中心的Z軸上，沿Z軸做直線運動；線性干涉鏡通過第二磁力基座安裝三軸加工中心的XY軸水平面上，X軸和Y軸固定不動；激光頭和線性干涉鏡的分光鏡的入射光中心在同一條直線上，分光鏡的出射光中心和第二線性反射鏡中心在同一直線上，兩直線相互垂直。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型有益效果在于：

(1)本實用新型裝置測量精度高，測量結(jié)果準確；

(2)本實用新型裝置便于操作，易于上手，解決了在實際運轉(zhuǎn)條件下利用位移傳感器采集數(shù)控機床熱定位誤差信號布點難、安裝難的問題；

(3)本實用新型裝置不需要借助外界的信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡調(diào)理和采集信號，解決了數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集能力弱、抗干擾能力弱的問題。

附圖說明

圖1為本實用新型用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例中的激光干涉儀用于水平線性軸(X方向和Y方向)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例中的激光干涉儀用于垂直線性軸(Z方向)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例的裝置在三軸加工中心X軸上的安裝示意圖；

圖4為本實用新型用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例的裝置在三軸加工中心Y軸上的安裝示意圖；

圖5為本實用新型用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例的裝置在三軸加工中心Z軸上的安裝示意圖；(圖中：①、激光束；②、反射光束；③、發(fā)射光束；④、調(diào)制光束；⑤、測量光束；、⑥參考光束；1、激光頭；2、第一線性反射鏡；3、分光鏡；4、第二線性反射鏡；5、支架；6、云臺；7、第一磁力基座；8、線性干涉鏡；9、第二磁力基座；10、數(shù)據(jù)處理端計算機)

具體實施方式

下面給出本實用新型的具體實施例。具體實施例僅用于進一步詳細說明本實用新型，不限制本申請權(quán)利要求的保護范圍。

本實用新型提供了一種用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置(簡稱裝置)，其特征在于該裝置包括激光干涉儀、支架5、云臺6、第一磁力基座7、第二磁力基座9和數(shù)據(jù)處理端計算機10；所述激光干涉儀包括激光頭1、線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4；所述線性干涉鏡8包括分光鏡2和第一線性反射鏡3；所述數(shù)據(jù)處理端計算機10通過數(shù)據(jù)傳輸線與激光頭1連接，數(shù)據(jù)處理端計算機10安裝有定位誤差測量軟件；

三軸加工中心線性軸分為X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，針對不同方向的線性軸，裝置的安裝方式不同：

X軸方向：所述激光頭1安裝在云臺6上，云臺6固定安裝在支架5上；支架5固定于水平面上，位于三軸加工中心的一側(cè)；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在三軸加工中心的X軸上，沿X軸做直線運動，位于三軸加工中心的另一側(cè)；線性干涉鏡8通過第二磁力基座9安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性干涉鏡8位于激光頭1和第二線性反射鏡4之間；激光頭1、線性干涉鏡8的分光鏡2和第二線性反射鏡4三者的中心在同一直線上；

Y軸方向：將激光頭1安裝在云臺6上，云臺6固定安裝在支架5上；支架5固定于水平面上，位于三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在三軸加工中心的Y軸上，沿Y軸做直線運動；線性干涉鏡8通過第二磁力基座9安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性干涉鏡8位于激光頭1和第二線性反射鏡4之間；激光頭1、線性干涉鏡8的分光鏡2和第二線性反射鏡4三者的中心在同一直線上；

Z軸方向：將激光頭1安裝在云臺6上，云臺6固定安裝在支架5上；支架5固定于水平面上，位于三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在三軸加工中心的Z軸上，沿Z軸做直線運動；線性干涉鏡8通過第二磁力基座9安裝三軸加工中心的XY軸水平面上，X軸和Y軸固定不動；激光頭1和線性干涉鏡8的分光鏡2的入射光中心在同一條直線上，分光鏡2的出射光中心和第二線性反射鏡4中心在同一直線上，兩直線相互垂直。

激光干涉儀測量定位誤差的原理如圖1所示：由激光頭1產(chǎn)生激光束①，當激光束達到線性干涉鏡8中的分光鏡3時被分為反射光束②和發(fā)射光束③，反射光束②在線性干涉鏡8中的第一線性反射鏡2成為參考光束⑥反射回激光頭1，發(fā)射光束③經(jīng)由第二線性反射鏡4成為測量光束⑤返回激光頭1。測量光束⑤和參考光束⑥在線性干涉鏡8內(nèi)匯合，線性干涉鏡8對兩個光束進行調(diào)制后直接把調(diào)制光束④傳送到激光發(fā)射器中，從而使這兩束光在探測器中產(chǎn)生干涉條紋。定位誤差的測量必須具有一個光學(xué)元件相對于另一個光學(xué)元件間的相對運動。圖1中線性干涉鏡8靜止不動，第二線性反射鏡4沿著預(yù)定的方向運動。把線性干涉鏡8到激光發(fā)射器的距離作為參考值，當?shù)诙€性反射鏡4到激光發(fā)射器之間的距離發(fā)生變化時，激光發(fā)射器中條紋計數(shù)器的明條紋數(shù)值將會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。第二線性反射鏡4到激光發(fā)射器之間的距離(d)等于條紋計數(shù)器中出現(xiàn)的明條紋數(shù)(n)乘以激光束的半個波長(λ)。根據(jù)光的疊加和干涉原理，凡光程差等于波長整數(shù)倍的位置，振動加強，產(chǎn)生明條紋；凡光程差等于半波長奇數(shù)倍的位置，振動減弱，產(chǎn)生暗條紋。

在實際運行和測試過程中，三軸加工中心線性軸系統(tǒng)的定位誤差由線性軸系統(tǒng)各組成部分的幾何定位誤差(如機床各個部分的安裝間隙誤差或螺距誤差等)和由于線性軸溫升熱變形而引起的熱定位誤差兩部分組成。為了在線性軸系統(tǒng)熱定位誤差測量中剔除機床本身幾何定位誤差的影響，首先需要對主軸系統(tǒng)幾何定位誤差進行評定。根據(jù)《ISO230-3機床熱效應(yīng)評定標準》，當主軸在行程內(nèi)以較低的速度來回往復(fù)運動時，由于運動速度低，主軸系統(tǒng)各結(jié)合部摩擦發(fā)熱不劇烈，由主軸熱變形引起的熱定位誤差可以忽略不計，因而此時測取的主軸系統(tǒng)定位誤差就為本身幾何定位誤差。

本實用新型用于測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置的工作原理和工作流程是：

步驟一，測量三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：

1、規(guī)劃測量點：在線性軸上等距離規(guī)劃N個測量點；

2、裝置的安裝：在規(guī)劃完測量點之后，進行裝置的安裝及光路準直；線性軸分為X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，針對不同方向的線性軸，裝置的安裝方式不同；

裝置安裝完成后，需要對激光干涉儀進行光路準直，具體步驟如下：

(1)裝置安裝完成后，目測調(diào)節(jié)激光頭1、線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4的位置，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1中；

(2)當?shù)诙€性反射鏡4和線性干涉鏡8距離最近時，視為近光點，在近光點對線性干涉鏡8進行位置調(diào)節(jié)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1中；然后對激光頭1的位置進行微調(diào)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1的探測器中；

(3)當?shù)诙€性反射鏡4和線性干涉鏡8距離最遠時，視為遠光點，在遠光點對線性干涉鏡8進行位置調(diào)節(jié)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1中；然后對激光頭1的位置進行微調(diào)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1的探測器中；

(4)重復(fù)(2)和(3)過程，直到在全行程內(nèi)，激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1的探測器中。

3、測量三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：將安裝有定位誤差測量軟件的計算機與激光頭1連接，完成對定位誤差測量軟件參數(shù)和三軸加工中心的機床運行程序設(shè)置后，開始測量，對各個測量點進行測量：對X軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿X軸做直線運動，保持線性干涉鏡8和Z軸固定不動；對Y軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Y軸做直線運動，保持線性干涉鏡8和Z軸固定不動；對Z軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Z軸做直線運動，保持線性干涉鏡8和水平面軸固定不動；在定位誤差測量軟件中采用最小二乘法對各個測量點的測量數(shù)據(jù)進行計算分析，得到三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差E_si(即幾何定位誤差)，各個測量點在初始時刻的定位誤差計算公式為：E_si＝l_1i-x_1i；

其中：E_si為初始時刻各個測量點的定位誤差，l_1i為初始時刻各個測量點的直接測量值；x_1i為初始時刻各個測量點的真實值；初始時刻是指三軸加工中心加工開始前線性軸未產(chǎn)生熱變形的時刻；

步驟二，測量三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差：

開始測量，測量的基準點、測量儀器的擺放位置等測量條件與步驟一相同，對各個測量點進行測量：對X軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿X軸做直線運動，保持線性干涉鏡8和Z軸固定不動；對Y軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Y軸做直線運動，保持線性干涉鏡8和Z軸固定不動；對Z軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Z軸做直線運動，保持線性干涉鏡8和水平面軸固定不動；在定位誤差測量軟件采用最小二乘法對各個測量點的測量數(shù)據(jù)進行計算分析，得到三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差E_i，各個測量點在任意時刻的定位誤差計算公式為：E_i＝l_2i-x_2i；

其中：E_i為任意時刻各個測量點的定位誤差，l_2i為任意時刻各個測量點的直接測量值；x_2i為任意時刻各個測量點的真實值；任意時刻是指三軸加工中心線性軸加工運轉(zhuǎn)進行中的任意時刻；

步驟三，得到三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差：

三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差E_ti等于三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差E_i減去三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差E_si，其計算公式為：E_ti＝E_i-E_si，通過三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差得到三軸加工中心線性軸在任意時刻的熱定位誤差。

本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。