一种基于对称两点法的Z轴导轨直线度与平行度误差测量方法

本发明涉及机床几何误差测量，具体涉及一种基于对称两点法的z轴导轨直线度与平行度误差测量方法。

背景技术：

1、直线轴作为数控机床的核心功能部件之一，其运动精度直接决定机床的整机加工精度。在车床与外圆磨床加工过程中，z轴导轨的直线度直接影响零件的圆柱直线度；若z轴导轨与主轴回转轴线存在平行度误差，则会导致加工零件产生锥度误差。由此可知，保障零件加工精度的核心在于控制导轨的运动精度；为此，需首先实现导轨直线度与平行度误差的超精密测量，为导轨精度提升提供测量学依据。

2、在导轨直线度与平行度测量领域中，传统千分表测量方法依赖基准工件进行检测，但其测量结果往往会混入基准件自身的形貌误差与安装误差，从而导致测量精度难以保证，无法实现导轨直线度与平行度误差的精密测量。为提高导轨的测量精度，近年来，激光干涉仪正逐步得到普及；采用激光干涉仪虽可实现导轨直线度误差的高精度检测，但存在光路调整繁琐、易受温度、振动等环境因素影响，同时，相邻测点间距较大，横向分辨率偏低；因此，为实现超精密测量，误差分离技术得到了广泛研究与应用；其中以傅里叶三点法为代表的多点误差分离技术，虽可实现工件形貌直线度与导轨运动直线度的误差解耦，但无法有效地测量得到导轨与主轴回转轴线之间的平行度误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于对称两点法的z轴导轨直线度与平行度误差测量方法。该测量方法可分离基准工件的形貌误差与安装偏心与偏斜，实现导轨直线度与平行度误差的精确测量，并可同步测量圆柱工件的母线直线度与锥度。

2、本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于两传感器的导轨直线度与平行度误差在位自校准测量法，包括以下步骤，

3、s1、采集径向跳动信号：将圆柱工件装夹于机床主轴的卡盘上，传感器夹具固定安装于机床z轴导轨滑台；将第一位移传感器与第二位移传感器对称安装于传感器支架上，使两传感器沿工件径向对称布置于工件两侧，其中第一位移传感器沿x轴正向布置，第二位移传感器沿x轴负向布置；将导轨滑台移动至测量起始位置，控制主轴带动工件匀速旋转，同时驱动导轨滑台由测量起点向终点匀速进给，两传感器随滑台同步移动并同步采集测量信号，其中第一传感器采集的信号为，第二传感器采集的信号为。

4、s2、建立传感器信号模型：第一传感器、第二传感器所采集信号可记为：

5、；

6、；

7、其中，为主轴旋转角度，为滑台轴向位置坐标，为主轴回转误差，、分别为不同相位角下的工件截面圆度误差，为不同相位角下工件偏心引入的一次谐波分量，为圆柱工件的母线误差，表示滑台的误差运动；

8、s3、求取平均信号：对传感器信号按主轴旋转整周期为单位进行截取；对截断后的整周期信号分别进行平均处理，消除主轴回转误差、消除圆度误差、工件偏心所引入的谐波分量，得到两路平均信号；将平均信号分别记为，；

9、s4、解算母线误差与滑台误差运动：将与相加并除以-2得到圆柱工件的母线误差；将与相减并除以-2得到导轨滑台的误差运动；

10、s5、分离母线直线度与锥度误差：对求解得到的工件母线误差进行最小二乘直线拟合，拟合得到的最小二乘中线即为工件锥度倾角引入的线性趋势项；去除该线性趋势项后的残余信号，即为工件母线直线度误差曲线；

11、s6、分离导轨直线度与平行度误差：对求解得到的滑台误差运动进行最小二乘直线拟合，拟合得到的最小二乘中线即为导轨不平行度倾角引入的线性趋势项；去除该线性趋势项后的残余信号，即为导轨直线度误差曲线；

12、步骤s2包括以下具体步骤：

13、s21、建立圆柱工件的母线误差引入信号分量的数学模型：将工件母线误差记为，其会使两位移传感器的输出信号同步减小或增大，即引入信号分量：；

14、s22、建立截面圆度误差引入信号分量的数学模型：将截面圆度误差记为；在中引入的二次及高次谐波分量记为，则其在中引入；

15、s23、建立工件偏心误差引入信号分量的数学模型：将工件偏心误差写为：

16、；

17、其中，为虚数单位，表示在工件初始旋转相位下，工件偏心的幅值，表示在工件初始旋转相位下，工件偏心的相位角。当主轴旋转时，在中引入的信号分量为，在中引入的信号分量为；

18、s24、建立滑台误差运动引入信号分量的数学模型：将滑台误差运动记为；滑台的误差运动将引入大小相等、方向相反的信号分量；例如，当导轨沿x轴正向倾斜时，将变小，引入信号分量：；将变大，引入信号分量：；

19、s25、建立主轴回转误差引入信号分量的数学模型：将主轴回转误差记为；在中引入：，在中引入：；

20、s26、建立传感器信号的数学模型：根据上述分析，可进一步将传感器信号、写为：

21、；

22、。

23、步骤s3包括以下具体步骤：

24、s31、对传感器信号，按主轴旋转整周期为单位进行截取，每个轴向位置处对应一组完整回转周期的采样数据；

25、s32、对每个轴向位置对应的单周期采样数据分别做算术平均，消除主轴径向回转误差、工件截面圆度误差、工件偏心引入的一次谐波等谐波分量得到仅与轴向位置相关的平均信号，：

26、；

27、；

28、步骤s4包括以下具体步骤：

29、s41、将和相加，然后除以-2，计算出圆柱工件的母线误差曲线；

30、s42、将和相减，然后除以-2，计算出导轨滑台的误差运动曲线。

31、步骤s5包括以下具体步骤：

32、s51、根据所求得的工件母线误差曲线，拟合出最小二乘中线：

33、；圆柱工件的锥度倾角即为：

34、；

35、s52、将工件母线误差曲线减去对应的最小二乘中线，得到残信号，此残余信号即为母线直线度误差曲线：

36、。

37、步骤s6包括以下具体步骤：

38、s61、根据所求得的滑台误差运动曲线，拟合出最小二乘中线：

39、；导轨的不平行度倾角即为：

40、；

41、s62、将滑台误差运动曲线减去对应的最小二乘中线，得到残信号，此残余信号即为导轨直线度误差曲线：

42、。

43、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

44、1、采用两位移传感器对称布置于圆柱工件两侧，随导轨滑台轴向连续进给并同步采集径向跳动信号；轴向测量间隔可通过主轴转速与滑台进给速度的配比灵活调控；例如，当主轴转速设置为300r/min、滑台进给速度设置为30mm/min时，主轴每旋转一周滑台轴向进给0.1mm，即轴向测量间隔可达0.1mm，横向采样分辨率较高。相较于激光干涉仪方案，无需复杂光路调试，操作简便、检测效率更高。

45、2、相较于傅里叶三点法等多点误差分离技术，仅需两个位移传感器即可同步分离导轨直线度与平行度误差，降低硬件成本，解决了现有方案传感器数量多、无法准确获取导轨平行度误差的技术缺陷。

46、3、相较于传统千分表测量方法，通过误差分离算法可有效剔除工件形貌误差、安装偏心等干扰分量，避免基准件误差叠加影响，测量精度显著提升，可实现超精密在位检测。

47、4、可同步测量圆柱工件的母线直线度与锥度误差，在完成导轨精度检测的同时实现工件形位误差在位测量，兼具机床精度校准与工件质量检测双重价值，可为超精密圆柱度检测设备研发提供技术支撑。