一種關于直線導軌直線度誤差的快速測量及誤差補償方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種關于直線導軌直線度誤差的快速測量及誤差補償方法，屬于機床 精度設計領域。
【背景技術】
[0002] 對于重型數(shù)控機床，機床的直線運動導軌是機床的重要部件，是機床各主要部件 相對位置和運動的基準，它的精度直接影響機床成形運動之間的相互位置關系，其直線度 誤差反映了機床的裝配誤差，對所加工工件的精度影響較大。因此，如何準確獲得導軌直線 度誤差并最終提高工件的加工精度，具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003] 直線度公差是指實際被測直線對理想直線的允許變動量。直線度的傳測量方法主 要有；拉鋼絲法、打表法、水平儀等等。拉鋼絲法和用打表法都是一種線值測量法，只可檢測 導軌在水平面內(nèi)的直線度誤差。傳統(tǒng)上使用水平儀檢測直線度誤差，但水平儀精度低、受外 界影響大，已無法滿足高精度、高穩(wěn)定性的要求。
[0004] 傳統(tǒng)工業(yè)測量方法手段有限、操作復雜、測量效率低、精度差，嚴重地影響了生產(chǎn) 效率，現(xiàn)有的測量方法和技術已經(jīng)不能滿足應用要求。因此，高效、高精密、便捷的大尺度測 量技術已成為當前的研究熱點。
[0005] 在國際標準（ISO230-1-1996機床檢驗通則）中激光干設儀是唯一公認的，目前 最常用的數(shù)控機床精度檢定儀器，它在功能、靈敏度、穩(wěn)定性、精度方面極具優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出一種關于直線導軌直線度誤差的快速測量及誤差補償方法，解決現(xiàn)有 測量方法低、誤差大且數(shù)據(jù)處理復雜等問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，一種關于直線導軌直線度誤差的快速測量及誤差補償方法，該 方法的流程圖如圖3所示。
[0008] 本發(fā)明的實施步驟如下，
[0009] 步驟一規(guī)劃N個測試采樣點
[0010] 步驟二組件安裝及光路對準
[0011] 在規(guī)劃完測試采樣點之后，完成對直線度測量的光路圖設計、組件安裝及光路對 準。
[0012] 美國自動精密工程公司（API)所生產(chǎn)的XD系列激光干設儀直線度測量系統(tǒng)包括 激光頭（由激光儀主機和前端干設鏡組成）、6-D傳感單元（反射鏡）、調節(jié)夾具。其測量組 件安裝圖如圖2所示。在測量中，激光頭固定不動，6-D傳感單元固定在調節(jié)夾具上。
[0013] 步驟=數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析
[0014] 全部組件安裝完畢之后，進行組件對準W及XD傳感器無線收發(fā)器的安裝。在完成 XD系統(tǒng)參數(shù)設置之后，便可W進行數(shù)據(jù)采集。完成數(shù)據(jù)采集過程后，程序將提示用戶數(shù)據(jù)采 集已經(jīng)完成并保存，該時可利用數(shù)據(jù)分析功能得到直線度誤差測量結果。
[0015] 步驟四激光干設儀測量中的誤差分析及補償
[0016] 激光干設儀是一種高精度的計量儀器，自身的精度很高，但在使用時會受到安裝 條件、環(huán)境、機床溫度和線膨脹系數(shù)不準確等諸多因素的影響，從而降低了測量精度。激光 干設儀在機床導軌直線度測量中的誤差包括：安裝誤差、環(huán)境誤差和延時誤差等。
[0017] 激光干設儀測量直線度測量原理；激光干設儀測量直線度主要是利用激光干設原 理進行測量，即利用兩束激光相對光程變化測量直線度。基于雙頻干設原理的直線度測量 原理圖如圖1所示。激光干設儀把兩個不同頻率的線偏振光分為帶一定夾角0的兩束光 線。其中測量反射鏡也是由帶一定夾角0(此夾角和分光鏡分出的兩束光線夾角相等）的 雙面反射鏡組成。測量時移動分光鏡或反射鏡，移動部件的橫向（沿光軸方向為縱向）變 化會使兩光束的光程產(chǎn)生變化，該個變化量經(jīng)過處理就得到直線度誤差。
[0018] 測量時，設測量反射鏡由初始位置1移動至被測位置2,沿測量基準軸線方向的速 度為V，根據(jù)多普勒效應及圖1可得：
【主權項】
1. 一種關于直線導軌直線度誤差的快速測量及誤差補償方法，其特征在于：該方法的 實施步驟如下， 步驟一規(guī)劃N個測試采樣點 步驟二組件安裝及光路對準 在規(guī)劃完測試采樣點之后，完成對直線度測量的光路圖設計、組件安裝及光路對準； 激光干涉儀直線度測量系統(tǒng)包括有激光頭、6-D傳感單元、調節(jié)夾具；在測量中，激光 頭固定不動，6-D傳感單元固定在調節(jié)夾具上； 步驟三數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析 全部組件安裝完畢之后，進行組件對準以及XD傳感器無線收發(fā)器的安裝；在完成XD系 統(tǒng)參數(shù)設置之后，便可以進行數(shù)據(jù)采集；完成數(shù)據(jù)采集過程后，程序將提示用戶數(shù)據(jù)采集已 經(jīng)完成并保存，這時可利用數(shù)據(jù)分析功能得到直線度誤差測量結果； 步驟四激光干涉儀測量中的誤差分析及補償 激光干涉儀測量直線度測量原理：激光干涉儀測量直線度主要是利用激光干涉原理進 行測量，即利用兩束激光相對光程變化測量直線度；激光干涉儀把兩個不同頻率的線偏振 光分為帶一定夾角Θ的兩束光線；其中測量反射鏡也是由帶一定夾角Θ的雙面反射鏡組 成；測量時移動分光鏡或反射鏡，移動部件的橫向變化會使兩光束的光程產(chǎn)生變化，這個變 化量經(jīng)過處理就得到直線度誤差； 測量時，設測量反射鏡由初始位置1移動至被測位置2,沿測量基準軸線方向的速度為 V，根據(jù)多普勒效應可得：
式中：fi、f2為雙頻激光器輸出正交線偏振光的兩個頻率，f /、f2'含有多普勒頻差的 兩個頻率，c為光在真空中的速度，Θ為握拉斯頓棱鏡的分光角度； 當測量反射鏡與激光器相向運動時速度為V取正，相背運動時速度為V取負； 由多普勒效應引起的測量光束4和f2的頻率變化為：
式中：λ i、λ 2為兩個頻率的激光波長； 測量反射鏡移動距離為s，時間為t，由參考信號和第一路測量信號求差頻可得△ ，由 參考信號和第二路測量信號求差頻可得對應的兩光路的光程變化為：
兩光路的光程差為： AL = L2-L1 (7) 求出被測對象的直線度值為：
式中：當AL為負時，測量反射鏡向上偏離基準軸線；當AL為正時，測量反射鏡向下 偏離基準軸線； 計算出反射鏡沿測量基準軸線的線位移s為：
由式（8)可計算得到線位移s與直線度誤差Ah相互關系的數(shù)學模型：
S4. 1安裝誤差 測量軸線應與被測對象的運動軸線重合；但在測量系統(tǒng)實際安裝過程中，必然存在安 裝誤差，導致測量軸線與被測對象的運動軸線不平行，從而引入測量誤差；其中，測量軸線 與被測對象的運動軸線不重合時引起的誤差，稱為阿貝誤差；測量軸線與被測對象的運動 軸線不平行時引起的誤差，稱為余弦誤差； 測量軸線與被測對象運動軸線之間的夾角為β，被測對象沿運動方向移動距離為s， 干涉儀測量距離為s'，則 s = s' cos β (11) 將式（11)代入式（10)，計算得到：
式中△ h2為修正安裝誤差后的直線度誤差，根據(jù)上式對實際測量結果進行補償，從而 提尚測量精度； S4. 2環(huán)境誤差 由于激光測量系統(tǒng)是利用光學效應進行被測對象的實際位置測量，因此激光測量系統(tǒng) 對工作環(huán)境十分敏感；在高精度的激光測量系統(tǒng)中，要求將實際工作環(huán)境控制在較為嚴格 的范圍內(nèi)，其中環(huán)境控制的主要指標為空氣溫度、壓力以及空氣的相對濕度等；以上指標變 化的綜合結果將會引起空氣折射率發(fā)生變化，從而導致波長的變化，最終引起測量誤差； 激光干涉儀是以激光波長為基準的測量儀器，波長值的正確與否將直接影響測量結果 的準確性；波長與傳播介質的折射率存在以下關系：
式中λ ^為所用激光在真空中的波長，n為所用激光在空氣中的折射率； 根據(jù)Edlen公式，在標準狀態(tài)（氣壓ρ = 101325Pa，溫度t = 20°C，濕度f = 1333