快速检测三坐标测量机垂直度误差的新方法

科技发展对产品质量提出了越来越高的要求,三坐标测量机与数控机床是保证工件测量与加工精度的关键设备.三坐标测量机由相互垂直的3个轴组成,各轴由滑块-导轨系统实现直线运动.滑块除轴向外的其余5个自由度被限制,但由于存在着制造误差,在这5个方向上滑块仍然有微小位移(角位移和线位移).同时沿轴向运动时还有定位误差.这样坐标机的一根轴上有6项误差,加上3个轴之间的垂直度误差,共有21项几何误差.在工作空间内任一点处,对Fxyz型三坐标测量机即工作台不动,测头可依此作x、y和z向动的三坐标测量机其空间误差模型为

1　垂直度误差的测量方法

三坐标测量机两轴之间的垂直度误差是由于装配等因素引起的,它不是坐标位置的函数而是一个常数.在测量两轴之间的垂直度误差时,需要有一个垂直度基准.可采用方箱作垂直度基准进行测量,但对于大量程的三坐标测量机采用方箱作垂直度基准显然很不方便,方箱太重(即使采用角尺仍嫌重),而且不易获得较高精度.可采用激光干涉仪并配以光学直角器(五角棱镜)附件来测量,其测量原理如图1所示.

　　垂直度误差的测量是在测量直线度的基础上进行的,图1中的五角棱镜将一个轴向光束转折90°转向另一个轴向.在这两个相互垂直的光路中分别按照测量直线度的方法测量两个测量轴的直线度,分别计算出斜率,由此求出两轴间的垂直度.这两个斜率是由于测量轴与光轴不重合产生的,如图2所示.

　　若用上述方法测量垂直轴与水平轴之间的垂直度时,在光路中还要增加其它附件,光能量损失大,光强弱,光路调整花费的时间长,对操作者的技术要求较高.因此,研究一种能够快速、准确和方便地检测垂直度误差的方法是很有实用价值的,特别是在安装调试大量程的三坐标测量机以及机床时,非常方便.

2　Renishaw检查规的工作原理

Renishaw检查规是一种测量机床精度的标准仪器,其工作原理如图3所示.基座安装在工作台上.测杆通过3个精密钢球架支撑在基座顶端的精密红宝石球上,形成一精密轴承.测杆一端固定精密球,并通过测量叉与探针形成另一个动态精密轴承.两个精密轴承间距离为测量标准R0.测杆在探针的带动下可以在水平360°,垂直±45°范围内精确旋转,形成一标准球面.测杆由特殊材料制成,重量轻、刚度高和热膨胀系数小,杆长R0已精密标定.Renishaw检查规可作为高精度测量的基准.

3　误差的检测

　　为了快速检测各轴之间的垂直度误差,可以选取一些特殊的平面,使得仅有一部分几何误差对总的空间误差起作用,以减少未知数的个数,便于快速求解.