專利名稱：一種直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法
技術領域：
本發明涉及一種使用直線電機驅動的機床滑臺的幾何調整精度檢測及方法以及
通過裝配來減少幾何精度誤差的調整方法。
背景技術：
隨著直線電機技術的完善，直線電機已被運用到高速精密加工的數控機床設計中 來。相比于原先的伺服電機驅動滾珠絲杠形式，直線電機直接驅動形式的機床不但切削速 度、加工效率有很大提高，而且具有免維護、無滾珠絲杠副、零回程間隙、速度平穩、高定位 精度等特點。但同時，由于直線電機初級與次級之間有很大的電磁力，會使得機床的滑臺 或導軌產生較大的形變，從而對加工精度有嚴格要求的機床提出了新的幾何結構及精度要 求。 因此如何建立直線電機驅動機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，此乃是本申請 人長期以來一直致力研究的內容之一 。
發明內容
本發明的目的在于提供一種直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方 法，通過該方法，以使機床切削速度、加工效率提高，并且具有免維護、速度平穩、高定位精 度的特點。 本發明所提供的一種直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，包括 下列步驟 布點步驟在機床的滑臺工作臺面上布點，確定測量范圍及主觀測點，并確定測量 路線及每條測量線分； 讀數變換步驟使用所述水平儀獲得各段測量值，進行坐標變換獲得同基準下各 觀測點高度差； 確定步驟通過最小二乘法確定中心平面，并計算出平面度誤差； 平面度誤差比較步驟將平面度誤差與幾何精度要求值進行比較，對于平面度誤
差不符合幾何精度要求的情況，則改善設計加工，提高工作臺面的加工精度； 高度差比較步驟對于平面度誤差符合幾何精度要求，則將高度差與幾何精度要
求值進行比較 若高度差不符合幾何精度要求值，則確定支撐點高度偏差，并調整支撐點高度，返 回至所述讀數變換步驟，重復上述測量調整過程； 若符合幾何精度要求值，則為符合幾何精度要求值，結束整個過程。 在上述的方法中，布點步驟中的布點方式采用對角線布點，所述的主觀測點為滑
臺工作臺各個支撐腳的中心點。 在上述的方法中，讀數變換步驟中的坐標變換即將各項讀數值轉換到同一個平面 之內，按線性進行變換。
在上述的方法中，高度差比較步驟中的調整方法為通過墊高或收緊四個支撐點來 改變臺面的平面度情況。 在上述的方法中，高度差比較步驟中的重復上述測量調整過程的次數為直至符合 機床加工精度要求的所需要的次數，即工作臺平面最終收斂于規定基準所在的水平面。
由于采用了上述的技術解決方案，本發明針對直線電機驅動的機床工作臺，使用 精密水平儀在機床的滑臺工作臺面上布點測量，并進行調整，使工作臺平面最終收斂于規 定基準所在的水平面。通過該方法，使機床切削速度、加工效率提高，并且具有免維護、速度 平穩、高定位精度的特點。
圖1是本發明直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法的流程示意 圖。 圖2是本發明中選為主要測量點的工作臺各個支撐腳的中心點排布示意圖。
具體實施例方式
參見圖l，本發明的所提供的一種直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調 整方法，包括下列步驟 布點步驟在機床的滑臺工作臺面上布點，確定測量范圍及主觀測點，并確定測量 路線及每條測量線分； 讀數變換步驟使用所述水平儀獲得各段測量值ai，進行坐標變換獲得同基準下 各觀測點高度差； 確定步驟通過最小二乘法確定中心平面，并計算出平面度誤差； 平面度誤差比較步驟將平面度誤差與幾何精度要求值進行比較，對于平面度誤
差不符合幾何精度要求的情況，則改善設計加工； 高度差比較步驟對于平面度誤差符合幾何精度要求，則將高度差與幾何精度要 求值進行比較 若高度差不符合幾何精度要求值，則確定支撐點高度偏差，并調整支撐點高度，返 回至所述讀數變換步驟，重復上述測量調整過程； 若符合幾何精度要求值，則為符合幾何精度要求值，結束整個過程。
具體實施過程如下 首先是測量點的選擇問題。為了能夠在不改動設計的情況下，從裝配的角度對測 量點的數值進行調整從而使工作臺面的平面度誤差控制在規定的范圍之內。把工作臺各個 支撐腳的中心點選為主要的測量點。四個支撐的中心點分別為ABCD，如圖2所示。
根據國家標準，平面度的測量可以分為兩類直接測量法與間接測量法。本發明采 用精密水平儀作為測量工具。水平儀法是間接測量法的一種，測量點的直接測量結果需要 經過累積計算或坐標轉換處理。而坐標變換的方式隨測量點的布點方式不同與測量順序不 同都會有所變換。布點方式通常有網格布點方式和對角線布點方式兩種。本發明采用對角 線布點。布點方式為封閉在矩形ABCD 中的米字形。測量順序為A-C，B-D，A-B，D-C，A-D，M「M/ Mn—「Mn—!' ，B-C。 上面的測量線分別直接測量，其讀數值并不在同一平面內。想要計算處理數據，需 要進行坐標變換，將各項讀數值轉換到同一個平面之內。按線性進行變換并且計算出計算 測量點的直接測量結果。上述測量線上每一段通過水平儀測量示值為ai，可以按下式計算 出過渡坐標值 Z, 、Z,一！'+a,=》40' = 1,2 ")
Z0 = 0 要計算平面度誤差首先要對測量線首末點進行平差，然后計算出相應情況下測量 線上其他點的坐標值。由于A的讀數值為O，所以AB， AC的初始值相同，設AD測量方向上 分為m段，AB測量方向上分為n段。m，n的選擇必須要保證AC與BD的中點重合，以便于處理。 由于使用水平儀時每次測量把測量初始值調至O，所以要使得AB線上的B點值與 BD點的B值相等就需要對BD上的坐標值進行平移。平移量為
- A I SO - A I - - Z "A: I」S
于是，BD測量線上各點變為
* I朋=Z ^ I朋+ Z
A:=0 4=0
而要使得BD中點與AC中點值相等，先固定AC，旋轉BD，旋轉系數按下面進行計
AC， BD
以B為旋轉中心，為了使中點H點與AC線上的點重合，旋轉系數
—+l)/2 (w+lV=
厶//爿C 厶//
/t=0
這樣可以求出個測量點的旋轉量
QklBD= (KBXkXLBD)/m， k = O，l. .m 計算得旋轉后的BD線各點的值為
rt (w+l)/2 (m+l)/2
Z/ I S￡> = Z "丄Z) + Z "丄S + ( Z "丄C -Z "丄C )
"0
"0
不妨設AB， AC坐標不進行變換。
按照上面的方法，通過平移和旋轉，使AD， BC， DC測量線的首末點與轉換后的AB， l量線上相應的首末點等值，同時計算AD， BC， DC上其余各點的坐標值。 以A點為中心旋轉AD線，得到AD的變換結果
rt z. (m+l)/2
I相二 2 "丄Z) + ^~ (Z/> I S￡> - Z 〃丄D ) 6二0 Z附 A=0
以B點為基準，旋轉BC線得到BC線的變換坐標公式
+ Z,. I ^ H (2^ I- Z "丄c )
再將測量線DC上的點的坐標值以D點為基準進行評議和旋轉，使首末點的坐標值
5與AD線的D點與AC線的C點坐標值相等，變換公式如下<formula>formula see original document page 6</formula> 這樣各測量線的坐標值變換到同一個平面內。 然后再通過平移和旋轉使得PiPi'測量線上的首末點與轉換后的AB，DC測量線上 相應點等值，同時算出測量線PiPi'上其余各點的坐標值Zij。設PiPi'上測量點數為n，則 變換公式為 = J& |《+ j^丄丑+丄"IDC — J]a丄s — |X I w)
A=0 A二0 " A=0 A=0 這樣所有測量線的坐標值都被變換到同一個平面內，這些值乘以水平儀的格值系 數，就可以得到個單測量點的測量值Zij。 取Zij得最大值和最小值可以得到測量點的高度差
h = z隨—zmin 接下來用最小二乘法來評定平面度誤差，并根據最小二乘平面的空間姿態來調整 工作臺面。 設最小二乘平面的方程為 z = Ax+By+C 欲求系數ABC，聯立方程 (Zx,)c + (Zx,2)^ + (j;x,義)B =
,(2>,)c+(2>^;m+(2>,2;^ = J>,, 解方程可以得到ABC，測量得到各點至最小二乘平面的坐標距離為
Ai = Zi-(AXi+Byi+C) 取A i中的最大值和最小值，則平面度誤差為f = Ama廠A邁in 接下來根據機床加工精度的要求，來比較工作臺面的高度差h與平面度f是否符 合幾何精度F的要求。 若f 〉F，則說明工作臺工作臺面平面度不滿足要求，說明工作臺面發生形變或在 制造過程中精度不夠。因此應針對直線電機的大磁力載荷改善設計或改善制造精度。
若h > F而f < F，說明雖然平面度滿足幾何精度要求，但工作臺的姿態不符合幾 何精度的要求，因此要通過調整裝配來使得工作臺保持水平。 由于調整方法只能通過墊高或收緊四個支撐點來改變臺面的平面度情況。調整的 幅度由上面所求的最小二乘平面確定，將ABCD四點的位置坐標值代入上面得出的最小二 乘平面，得到z/ ，V ，zc' ，V ，四個支撐點的調整幅度則為-z/ ，_zB' ，-Zc' ，-V 。
調整后應重新對個測量點進行測量的出新的f與h，觀察是否符合規定的幾何精 度要求，若不符合要求則重復上述調整過程。 綜上所述，本發明總體思想是針對直線電機驅動的機床工作臺，使用精密水平儀 在機床的滑臺工作臺面上布點測量。 機床滑臺的幾何精度主要通過測量兩方面的內容來判斷，一是在各個指定位置處
6滑臺工作臺面的平面度，二是工作臺面觀測點在滑臺處于不同位置測量值的變化，通過這兩項數值的計算可以觀察不同位置工作臺的平面度誤差浮動，檢測工作平面是否在加工要求的平面度變動范圍之內。 由于水平儀的測量結果并不是絕對的高度值，而是測量線首末點的相對旋轉角度，因此這里提出了一種按照測量線將水平儀讀數轉化為相同基準下高度差的坐標轉換方式。 得到單個測量點的高度值之后，通過最小二乘法確定最小二乘中心平面，并計算出平面度誤差。通過高度差與平面度誤差同幾何精度要求的比較，可以找到影響工作臺面是否水平的主要因素，并進向相應的調整。根據所求的最小二乘平面，計算出四個支撐點的高度差值，通過調整裝配使高度差值歸零。由于直線電機初級與次級之間有較大的電磁力工作臺及導軌受力情況復雜，只調整一次不一定能夠滿足平面度的要求，因此需要反復進行測量調整，直到符合機床加工精度的要求，可以認為工作臺平面最終收斂于規定基準所在的水平面。 以上結合附圖實施例對本發明進行了詳細說明，本領域中普通技術人員可根據上述說明對本發明做出種種變化例。因而，實施例中的某些細節不應構成對本發明的限定，本發明將以所附權利要求書界定的范圍作為本發明的保護范圍。
權利要求
一種直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，包括下列步驟布點步驟在機床的滑臺工作臺面上布點，確定測量范圍及主觀測點，并確定測量路線及每條測量線分；讀數變換步驟使用所述水平儀獲得各段測量值，進行坐標變換獲得同基準下各觀測點高度差；確定步驟通過最小二乘法確定中心平面，并計算出平面度誤差；平面度誤差比較步驟將平面度誤差與幾何精度要求值進行比較，對于平面度誤差不符合幾何精度要求的情況，則改善設計加工，提高工作臺面的加工精度；高度差比較步驟對于平面度誤差符合幾何精度要求，則將高度差與幾何精度要求值進行比較若高度差不符合幾何精度要求值，則確定支撐點高度偏差，并調整支撐點高度，返回至所述讀數變換步驟，重復上述測量調整過程；若符合幾何精度要求值，則為符合幾何精度要求值，結束整個過程。
2. 根據權利要求1所述的直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，其特 征在于所述布點步驟中的布點方式采用對角線布點，所述的主觀測點為滑臺工作臺各個 支撐腳的中心點。
3. 根據權利要求1所述的直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，其特 征在于所述讀數變換步驟中的坐標變換即將各項讀數值轉換到同一個平面之內，按線性 進行變換。
4. 根據權利要求1所述的直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，其特 征在于所述高度差比較步驟中的調整方法為通過墊高或收緊四個支撐點來改變臺面的平 面度情況。
5. 根據權利要求1所述的直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，其特 征在于所述高度差比較步驟中的重復上述測量調整過程的次數為直至符合機床加工精度 要求的所需要的次數，即工作臺平面最終收斂于規定基準所在的水平面。
全文摘要
本發明涉及一種直線電機驅動的機床滑臺的幾何精度檢測及調整方法，包括布點步驟；讀數變換步驟使用所述水平儀獲得各段測量值，進行坐標變換獲得同基準下各觀測點高度差；確定步驟通過最小二乘法確定中心平面，并計算出平面度誤差；平面度誤差比較步驟；高度差比較步驟若符合幾何精度要求值，則為符合幾何精度要求值，結束整個過程。本發明使工作臺平面最終收斂于規定基準所在的水平面。通過該方法，使機床切削速度、加工效率提高，并且具有免維護、速度平穩、高定位精度的特點。
文檔編號G01B5/00GK101713627SQ20081020084
公開日2010年5月26日 申請日期2008年10月7日 優先權日2008年10月7日
發明者周吉, 徐志明, 王宇晗, 程松 申請人:上海電氣集團股份有限公司;上海交通大學