三维步距规制造技术

本实用新型专利技术公开了一种三维步距规，即一种可精确测定数控机床（或其它数控设备）空间定位精度的装置。包括底板、组合传感器和ｎ个三棱锥或三棱台；底板下装有三个支撑点，底板上有三条基准边，其中二条基准边平行于三个支撑点所确定的平面；所有三棱锥或三棱台均固定在底板上，其中一个三棱锥作为检测和标定的基准，所有三棱锥或三棱台上均有坐标位置及其工作面的方向系数；组合传感器由三个并联的微位移传感器构成，用于在数控机床上分别测定对应于各指令位移的实际位移相对于各三棱锥或三棱台的空间位置偏差，以测定该数控机床在诸离散点处的三维定位精度。此装置适用于检测量大面广的中、低档数控设备的三维定位精度。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种测定空间定位精度的装置，具体为一种三维步距规，它尤其适用于测定数控机床(或其它数控设备)在其工作空间中的一系列离散点上的三维定位精度。
技术介绍
数控设备的基本功能之一，是按照数控程序实现准确的相对运动和准确的定位。运动精度和定位精度(统称为几何精度)是数控设备最重要的性能指标，追求高几何精度始终是推动数控技术发展的动力之一。目前，全世界数控机床或其它数控设备的拥有量和生产量与日俱增。数控设备，特别是中、低档设备，因为初始制造误差或在运行过程中的磨损而导致的精度丧失和精度恶化对它们的工作性能与生产质量造成了严重影响；而及时地检定、有效地补偿或修复这种误差，以恢复和提高其工作性能，实属迫切需要的技术措施。其所产生的经济效益和社会效益是无法估计的。我国数控机床的拥有量和进口量均已达世界第二位。与工业发达国家相比，我国机床的制造精度不高，精度保持性欠佳，而机床的服役期又往往较长，精度丧失严重。因此，上述精度检定、补偿或修复技术对我国具有特别重要的意义。目前，可用于检测数控机床单轴定位精度的仪器主要有光栅尺、激光干涉仪和线性步距规等。检测二维(平面)定位精度的仪器主要有平面光栅和球杆仪等；其中前者的检测范围有限，而后者只能测定沿一个圆周轨迹运动时的径向误差。以上仪器都不能检测数控设备的三维工作空间中的三维定位误差；须知，即使分别测定了数控机床的三根轴上的定位误差，或者测定了某几个平面上的二维定位误差，也并不等于掌握了该机床在三维空间中的三维定位误差。可是，为了对数控机床或其它数控设备的几何误差进行完整的补偿或修复，就必须了解它在三维空间中的三维定位误差。为了测定这种误差，需要专门的仪器。目前针对这一目的的测试仪器主要有各种专用的激光检测设备。这些设备都属于精密、贵重仪器，操作也相当复杂，不适合用于检测大量中、低档数控设备的精度，也不便于在生产车间条件下使用。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述不足之处，提供一种三维步距规，它可以简便地测定数控设备的工作空间内一系列离散点上的三维定位精度，适合于在生产车间条件下检测中、低档数控设备的几何精度，是一种普及型的检测工具。本技术提供的一种三维步距规，包括底板、组合传感器和n个三棱锥或三棱台，n为大于2的自然数；底板下装有三个支撑点，底板上有三条基准边，其中二条基准边平行于三个支撑点所确定的平面；三棱锥或三棱台均固定在底板上，其中一个三棱锥作为检测和标定的基准，所有三棱锥或三棱台上均标有坐标位置及其工作面的方向系数；组合传感器由三个并联的微位移传感器构成，用于在数控机床上分别测定对应于各指令位移的实际位移相对于各三棱锥或三棱台的空间位置偏差。本技术以三棱锥或三棱台作为空间几何点的“物化”；以固定在刚性基板或框架上的一系列这样的三棱锥或三棱台代表空间的离散点系；由三个并联的微位移传感器(电感或电容传感器，或其它传感器)构成组合传感器，在精密坐标测量机、精密数控机床(或其它专用的精密标定设备)上标定各个三棱锥或三棱台的空间坐标及其空间取向；以同一个组合传感器在数控机床上分别测定对应于各指令位移的实际位移相对于各三棱锥或三棱台的空间位置偏差，即可测定该数控机床在诸离散点处的三维定位精度。采用本技术可对数控机床的几何精度进行评定，进而对其几何误差进行建模、补偿或修复。本技术适合于在生产车间条件下检测中、低档数控设备的几何精度，是一种普及型的检测工具。附图说明图1为机床定位误差示意图。图2为定位误差的相对性及相对误差的合成。图3为本技术的基础技术之一——微位移传感器对于倾斜平面的测量。图4为本技术的基础技术之二——作为空间点的“物化”的位标三棱锥以及组合传感器对于位标三棱锥的空间位置的检测和三向位置偏差的测算。图5为所专利技术三维步距规的外观和结构特点。图6为机床工作台面相对于其X-Y坐标平面的平行度的检测曲线示意图，此图用于补偿由于机床工作台面与其X-Y坐标平面不平行所带来的检测误差。图7为位标三棱锥群(检测点系)在空间不同分布方式的几种设计实例。具体实施方式本技术用于检测数控设备在离散点系上的定位误差。本文中的“三维”一词有两方面的含义第一，是指上述“离散点系”是在数控设备工作空间中作三维分布的点系；第二，对于点系中的每一点，均可测得该处的三维定位误差向量。以下结合附图从几个方面对本技术作进一步详细的说明。1、数控机床的定位误差如图1所示，数控机床工作空间内的某一指令位置记为P＝(xi+yj+zk)，而对应的实际位置记为Pr＝(xri+yrj+zrk)，则该处的定位误差E＝(Exi+Eyj+Ezk)定义为实际位置和指令位置之间的向量差E＝Pr-P+ε (1)式中ε＝(εxi+εyj+εzk)为随机误差。尽管所专利技术的装置也具有检测随机定位误差的能力，但机床的误差补偿或修复主要是针对可以重复的系统性误差。因此，先略去随机误差，得E＝Pr-P (2) 此向量式实际上包含三个标量公式Ex=xr-xEy=yr-yEz=zr-z----(3)]]>此项专利技术的目的是检测与各指令点P＝(xi+yj+zk)相对应的实际位置Pr＝(xri+yrj+zrk)，从而确定与该指令相对应的定位误差E＝(Exi+Eyj+Ezk)。关于定位误差E有两点说明第一，各个轴上的反向间隙(或失动量)被认为已经采取硬件措施加以消除，或者，以软件方法加以补偿，因而不包括在定位误差E中；第二，这里的E是各种误差成分综合作用的终端效应。如果是出于误差补偿的目的，知道终端误差也就够了(如果需要分析误差的各种来源，也可以基于一定的数学模型及补充检测数据，从所测得的一系列点处的终端定位误差反求出各种误差成分来)。2、定位误差的性质定位误差E具有以下与本技术有关的性质第一，位置依赖性定位误差是工作空间中指令点位置P的函数，因此，定位误差是指令空间中的位场E＝E(P)即，定位误差E只与指令点的位置有关，而与趋近该点的路线和方向无关；第二，连续性定位误差E是指令点位置P的连续函数，因此，指令位置的微小变化ΔP只引起定位误差ΔE的微小变化；第三，相对性指令位置P实际上对应于从某一起始点O到终点P的指令位移OP，而P处的定位误差E则是相对于起始点O而言，记为EOP，见图2。一般以数控机床的零点(即坐标原点O)为起始点，该点的定位误差设为E(O)＝0。如果有某点O′相对与坐标原点O的定位误差为EOO′，而P点相对于O′点的定位误差为EO′P，则P点相对于坐标原点O点的定位误差为EOP＝EOO′+EO′P。这一关系与位移向量关系OP＝O′P+OO′是一致的。以上诸性质已由大量实测数据所证实，它们与本技术工作原理密切相关。3、微位移的测量图3a中A为某空间倾斜平面，它在X-Z和Y-Z坐标平面中的截线与X-Y平面的夹角分别为αA和βA(分别见图3b和3c)。微位移传感器(可以是电感传感器、电容传感器或其他类型的传感器；可以是接触式传感器，也可以是非接触式传感器)沿Z轴布置，对准A平面上的P点，可以感知传感器相对于A平面在Z轴方向的位移。设传感器1相对A平面在X、Y和Z轴方向同时有Ex、Ey和Ez的微位移，则传感器的读数的变化为δA＝AxEx+AyEy+Ez(4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维步距规，其特征在于：它包括底板（３）、组合传感器（１）和ｎ个三棱锥或三棱台（２↓［ｉ］，ｉ＝１，２，…，ｎ），ｎ为大于２的自然数；底板（３）下装有三个支撑点（Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］），底板（３）上有三条基准边（Ｎ↓［１］、Ｎ↓［２］、Ｎ↓［３］），其中二条基准边（Ｎ↓［２］、Ｎ↓［３］）平行于三个支撑点（Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］）所确定的平面（Ｓ）；三棱锥或三棱台（２↓［ｉ］）固定在底板（３）上，其中一个三棱锥作为检测和标定的基准，所有三棱锥或三棱台上均标有坐标位置（ｘ↓［ｉ］、ｙ↓［ｉ］、ｚ↓［ｉ］）及其工作面的方向系数（Ａ↓［ｉｘ］、Ａ↓［ｉｙ］，Ｂ↓［ｉｘ］、Ｂ↓［ｉｙ］及Ｃ↓［ｉｘ］、Ｃ↓［ｉｙ］，ｉ＝１，２，…，ｎ）；组合传感器（１）由三个并联的微位移传感器（１↓［Ａ］、１↓［Ｂ］和１↓［Ｃ］）构成，用于在数控机床上分别测定对应于各指令位移的实际位移相对于各个三棱锥或三棱台（２↓［ｉ］）的空间位置偏差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：师汉民，李斌，毛新勇，刘红奇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]