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大距离运动的直线度测量
KNAPP W，BRINGMANN B
（苏黎士联邦工业大学机械加工制造学院，苏黎士8092，瑞士）
摘要：机床沿轴向运动的直线度是最要的性能指标，描述了不同的直线度测量方法（直尺法、钢丝绳法、激光干涉仪法、局部垂直度测量及球板和球杆法等），并讨论了这些方法对测量移动长度超过2000mm的机床的适用性。详细叙了无重叠的球板拼接，估计了测量的不确定度，测量结果不确定度U为3.4um(因子k=2）。给出了减小主要影响测量不确定度，也就是影响机床轴重复性的主要因素的一些可能性。示出了500mmx500mm球板拼接测量，且和轴向移动量900m的比较仪进行了比对，两种量结果的偏差小于0．6um，因此不会超出原有的测量不确定度范围。球板拼接法也可应用于大距离移动中的垂直度测量。无论是利用垂直平面进行测量或者用近来引进的精密三位机床检测，无重叠的球板拼接板接均可用于水平和垂直的直线度测量，还可用于定位、倾斜、俯视及偏转等方面的测量。
关键词：菹线度测量；球板；拼接
1直线度测量
直线运动的直线度是机床性能的一个重要指标。接下来本章将会对不同的方法进行进行简短的讨论。
基于角的直线度测量使用了对直线度偏离角的计算测量。它们被限制在测量的表面，不适用于测量的直线度的运动，因此 基于角度测量的直线度测量在本文中是没有讨论的。
对所有这些直线度进行讨论的目的都是对工具保持侧和机床的工件保持侧之间的测量。
1.1用直尺对直线度的测量
用直尺和线性位移传感器进行直线度测量是最常见的方法。这种方法一般适用于轴长小于2 000mm的机器，由于它们的重量，这些较长的直尺很难操作。
将该方法用于在一个长度为1000毫米的典型机床车间的测量中，测量不确定度（覆盖因子= 2）约为7um，利用水平直线度测量可将不确定度可降低到约4um。
1.2用钢丝绳对直线度的测量
任何水平直线也可以用显微镜、CCD摄像头和一般钢丝直径约0.1毫米的拉紧钢丝绳测量，如图1所示的实验测量装置。
图1 显微镜和钢丝绳
这种测量方法的不确定度类似于用直尺的方法，即轴长为1000毫米不确定度大约7微米。对于垂直的直线度测量，这种方法是不推荐的，因为凹陷（见图1）不能确定。
图1显示一个表面的测量。如果显微镜或CCD摄像机放在机床工具的一边并且钢丝安装在机床侧，这个系统就能测量运动的直线度。
1.3基于激光干涉仪的直线度测量
在大多数情况下，基于光学系统的直线度测量使用双镜直线沃拉斯顿棱镜反射器。反射器代表直尺、棱镜、直线位移传感器。因此，反射器必须安装在机床的工件上，棱镜安装在工具上的一侧。
该反射镜的安装是局部弯曲的关键，因为任何弯曲的反射会改变位置，因此对称线的直线度是测量的参考线。如果局部弯曲，如一个移动台的弯曲可以被预料到，则这个反射器应安装在一个弯曲表面运动学上次要的表面。
空气湍流对用激光干涉仪测量直线度的影响很大，这是通过改变表面温度沿激光路径造成的。这种影响可以很容易地通过检查测量动态模式读数得到。这产生强烈影响的原因是测量原理的证明。为了避免大的，昂贵的和未处理的光学元件，光学系统的几何形状的改变。这导致两激光束几乎是平行的，因此测量信号被放大30倍以上，这一因素也适用于任何干扰 环境。对于一个测量长度为1000毫米，安装在非弯曲表面上的反射器，并用于表面温度变化沿小于2的激光束，测量不确定度（k= 2）估计为6um。
1.4直线度测量通过局部垂直度测量
两运动局部垂直度可以用来评价一个直线运动的直线度，垂直度的测量可以循环进行试验或用激光进行对角位移测试。
然而，这种方法限制机床的两个轴，这两个轴安装在一个共同的基准上，是不适用的横向滑动的。局部直线度不会改变与基准轴的直线度偏差，它将保持不变。
此外，该方法不适用于通常用于龙门吊机的两轴传动，因为驱动器的性能可以改变局部垂直度，而且这独立于任何直线度偏差。
假设应用该机型测量三局部垂直度测量集成的直线度偏差，不确定度约为7um每1000mm。
1.5球板的直线度测量
用校准球板测量坐标测量机是很常见的。现在越来越多是通过在机床上使用触摸触发探针或是很容易使用在工件上的特殊的三维探头球板。图2显示了由4个线性位移传感器组成的一个特殊的三维探测器，以探测探测中的任何错误，例如灰尘和气流。
图2 一种平板或球梁精密球坐标系的线性探测系统
通过一个球板垂直度，可以对定位、导航和直线度进行评价 。
如果只是测量直线度，可以用一个球板代替一个球，这是一个在刚性的直线梁上安装的一个高精度的球。
图2所示的探头是具有0.44um标准不确定性的X或Y坐标探测，由于球板标定的标准不确定度为0.15mu;m，漂移1um的标准不确定度是每15分0.29um。这一结果在测量不确定U（k = 2）是1.1um。
2 长距离运动的直线度测量
长距离运动的直线度测量，即运动超过2000毫米的长度，采用了上述的方法，在本章中讨论特殊问题和长距离运动的注意事项。
长距离运动水平通过紧绷的线测量直线度。测量的问题主要是空气气流或振动的钢绳，从而导致偏离直线。到目前为止，此方法没有用于垂直的直线度测量中。
利用激光干涉仪的直线度测量似乎是一个理想的解决方案，但对于长距离运动的光学元件的几何形状，在这样的方式下会被改变，测量信号的放大率（和任何环境干扰）甚至高于短距离的直线度光学。因此，在车间应用中很少用激光干涉仪对长距离运动的机床进行直线度测量。
通过局部垂直度进行直线度测量的目的是测量更长距离的动作，但投入使用的应用非常有限，仅用固定桥，移动机床表配置。
直尺或球杆可以连接更长距离的 运动。两断面的运动之间的重叠应在30%到50%的人工制品的长度。这类连接引入了测量不确定度的进一步分量，如机床运动的可重复性（每个重叠部分必须固定并测量两次）和较大的漂移，这是因为有较长的运动时间。对于许多实际测量这个程序过程是相对于测量耗时过长或对结果的不确定性不满意 。
这是非常类似球板拼接的拼接直尺，但它允许拼接不重叠，这在下一章解释 。
3 拼接球板的测量
球板拼接测量解释为一个水平X轴的水平直线（EYX），X轴平行于图3和图4 中的T槽线。
用一三维探针（图2），一个二维探头或与工件安装机床的接触触发探针探测对所使用的球板进行校准。探头安装在机床上工具的侧面。
球板水平放置在机床工作台的左侧（图3）。无论是机械还是通过调整的数控程序探测球板的测量方向，都要与平行的轴线对齐。这是为了保持在其范围内的探针的测量信号，也就是各种测量的最低限度，这 需要测量不确定度。
图3 位置1的拼接球板
图4 位置2的拼接球板
如图5所示，左侧的虚线直线方向为第一个位置，右侧的虚线直线方向为第二个位置；左线显示第一个位置的直线度测量值，右线显示第二个位置的直线度测量值；这两个值显示直线度测量的第一和第二位的相对角度校正。
在这个位置上，对一行平行于X的球进行测量。结果是X和Y的偏差设定的X和Y坐标的标定球的位置以及X和Y之间的位置，该机器工具移动，Y坐标用于X它的水平直线度偏差的评价。在球板的第一个位置，X偏差可用于检查X定位，EXX，但这里我们关注它只有直线度偏差。
图5 通过消除两个位置之间的相对角方向的第一个直线测量相结合的直线度测量
然后第一个和右列的最后一个球被测量。两个X坐标除以球板的宽度，在XY平面上第一个位置给球板角度取向。这个在可以比较的最佳角度安装成直线测量，差异使X和Y之间的运动出现垂直度，但这不是主要的重点现在。
然后球板定位在机床工作台的侧面（图4），球板对齐在第一个位置，最好是通过调整数控程序。第一个位置右栏（图3）应配合第二位左栏（图4），
然后测量第一个和左柱最后一个球，他们在名义上是在同一个位置，因为两个球在球板的第一个位置的测量程序测量结束一样。X坐标除以球板的宽度，由此在第二个的位置将球板的角度取向。
然后球的同一行都被测了，测量Y坐标是用来在第二位置的做直线度评估。
从第一个和第二个拼接球板的位置评定两直线度，两直线度偏差也要被软件改变成的一个与球板相同角方向的共同坐标系统（图5）。而且，在第一个位置，最后一个球的在第一个位置的直线度值是与第一个球在第二个位置的直线度值相等的。缝直线度测量是没有与X轴重叠的，但在Y方向有额外的测量。这在测量时间和测量不确定度的方面有一些优点，如下面的章节详细。
4测量不确定度的估计
对于简单的，缝直线度测量的重要贡献是探索的由于球板标定和测量时的机床漂移的不确定性。 这在1.5章详细，结果显示在表1。15分钟的测量时间，是在安全的情况下，三维探头和数控程序的测量时间大约是5分钟。
在球板角的方向是由两个X方向进行每个球板的位置检测。重要的因素是由于探测球板标定的不确定性。在表1中的值是从参考文献[ 10 ]中得到。由于两X坐标之间的差异赋予了球板角定位，定位重复性的另一重要因素。
大多数按照ISO 230-2的机器重复度和精确度都可以。所以我们采取单向重复性r为参数，这是从5单向运行4倍的标准不确定度。R典型值为2。这种重复性价值包括任何对定位试验测量的时间漂移，这大约是15分钟。因此没有额外的漂移需要对球板角度位置进行考虑。宽度和长度对球板是一样重要的；否则基于小宽角方向的不确定性会被放大，长度较大。
如果从第一个位置进行的直线度评估和和第二个位置的直线度不匹配，主要是因为安装错误，一些地方的直线度偏差可能会失去。这失去的直线度偏差是测量不确定度的另一个因素 。假定对应在2mm以内，在这2mm内直线度变化为2um。然而，这些夹具的对应距离应该在1mm之内。
由于在第二位置定位并对准球板需要一定的时间，所以一个额外的漂移项被用来做不确定性估计。
根据这些假设测量u（k = 2）从两球板的位置缝直线度评估为3.4um。
表格1显示的测量不确定度的最大因素是球板角度的不确定性，有最大影响的是X的定位重复性。因此，四个球的位置应该总是从同一方向测量（从 X或-x），这样是为了避免任何反复的X方向运动。如果这一要求不能满足，根据ISO 230-2，双向重复，包括反弹，导致不确定性比单向重复性大。
如果单向重复性R比预期的测量不确定度大，个别在X位置的单向重复性R在球板的角定位测量可 用。R值会明显变小，而且这个是R值的最大值。
如果重复值的快速定位测量仍然太大，重复性可以通过在所谓的A型评价标准不确定度试验机上的实验评估：一个用于对球板的角取向评价球测15次，这15次测量标准偏差给出这个因素的标准不确定度。再次，这个值包括在实验过程中发生的任何漂移的影响；因此，没有附加的漂移项对球板的角度方向的不确定性是必要的。
如果这个值仍然不足，球板可 调整机械平行于X轴和每2个球对球板的角方向。因此，X的重复性对球板的角定位的不确定性没有影响。然而，这一过程将持续更长的时间，由于机械对准（从而增加测量任何漂移的影响）或将导致更大的测量读数，由于非完美对齐（因此可能增加不确定性的探索）。
5测量实例
一个能放36个大约500mmX500mm大小的球的球板（图3），以及一个特殊的三维探头（图2）。
该机床为900mmX轴的3轴加工中心。它的X轴水平直线度是与球板上两个位置一起测量，这样就有比较系统。
球板通过机械调整大致平行于X轴，然后对球板的定位是通过三维探头和调整最低探针偏转数控程序测量。
因为X轴为900 mm，球板为500 mm，拼接略有改变：对球板的角定位相应的球现在在最后一排第一个位置（而不是最后一排在第一位）和在第一排在第二的位置。第二排球重叠不用于对球板的方位角测定；程序中采用的是假设没有重叠。
结果的交叉检查与使用约1000毫米长度比较仪系统（图6）。比较系统是一种通过光学提供X和Y的位置测量各点，从而读出交叉网格编码的系统。它只是为水平直线Y位置进行评估。
图6 比较器（交叉网格系统）设置为X，它为X轴定位精度测量
图7显示了用缝球板与用比较系统的直线度测量结果。直线度基准线是最小二乘直线——直线度偏差的平方和最小。两次测量的基准线是在“0”的水平直线。
两次测量之间的差异在图8中给出了。最大的区别是0.6um，这是在估计的测量不确定度的2.4um在这种情况下。不确定性的测量小于给定的表1，因为以下表1中的参数变了：5分钟内漂移0.5um所，因此不确定度在第一 个位置仅为0.49um（而不是0.55u‑m）；在这个位置，这个轴单向重复性R为1um （而不是2um）；由于2um的直线度总量小，所以在2
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