非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置及方法

摘要

非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置及方法，涉及绝对式光栅尺检测技术领域，解决现有技术采用恒定温度与绝对式光栅尺实际运行的非均匀温度场存在较大差异，使绝对式光栅尺全测量范围热变形检测结果的准确性难以保证的问题，本发明模拟了绝对式光栅尺实际工况中的非均匀温度场，并对绝对式光栅尺全测量范围热变形进行检测，用于探索实际工况中绝对式光栅尺热变形规律，提高绝对式光栅尺测量精度。此外，通过设置合理的加载温度及部位，考虑温度的老化作用，该检测装置还可开展绝对式光栅尺加速寿命试验，用于研究实际工况中绝对式光栅尺性能退化机理。本发明作为绝对式光栅尺全测量范围误差实验室检测装置，结果表明检测精度得到大幅提高。

说明书

技术领域

本发明涉及绝对式光栅尺检测技术领域，具体涉及一种非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置。

背景技术

绝对式光栅尺被广泛运用于机床加工、操作和试验系统中，国产绝对式光栅尺由于寿命周期内测量精度不稳定，导致国内接近85％的市场份额被国外品牌占据，使得光栅、伺服电机等关键功能器件被列为《中国制造2025》中重点攻关目标。绝对式光栅尺工作环境复杂多样，持续变化的温度、湿度及振动等环境应力会导致其在寿命周期内逐渐发生精度退化现象，其中40％—70％是由热变形引起的。

目前关于绝对式光栅尺热变形的测量装置均是在恒温环境中，利用光栅尺本身的特征和读数，对光栅尺上指定的几个位置进行测量，并通过与激光干涉仪测量结果进行对比完成检测。然而恒定温度与绝对式光栅尺实际运行的非均匀温度场存在较大差异，使得绝对式光栅尺全测量范围热变形检测结果的准确性难以保证。因此，有必要建立非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置。

基于以上描述，本发明提供了一种非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置，模拟了绝对式光栅尺实际工况中的非均匀温度场，并对绝对式光栅尺全测量范围热变形进行检测，用于探索实际工况中绝对式光栅尺热变形规律，提高绝对式光栅尺测量精度。此外，通过设置合理的加载温度及部位，考虑温度的老化作用，该检测装置还可开展绝对式光栅尺加速寿命试验，用于研究实际工况中绝对式光栅尺性能退化机理。

发明内容

本发明为解决现有技术采用恒定温度与绝对式光栅尺实际运行的非均匀温度场存在较大差异，使绝对式光栅尺全测量范围热变形检测结果的准确性难以保证的问题，提供一种非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置。

非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置，包括温控箱，载物平台及其支架，激光干涉仪，定向红外加热装置，温度传感器，绝对式光栅尺，滑块，导轨，SLP25高精度位移系统，位移系统承载平台，数据采集卡和上位机；

所述非均匀温度场是指通过收集绝对式光栅尺典型工况中环境温度及外部热源信息，如机床加工中的电机散热及前后轴承热传导作用，利用有限元仿真软件的“固体热传导”模块模拟绝对式光栅尺典型工况的环境及外部热源，然后利用“固体力学”和“多物理场耦合分析”模块开展绝对式光栅尺仿真模型热变形分析，根据仿真分析结果得到绝对式光栅尺外部温度加载谱，最后通过试验装置对绝对式光栅尺施加外部温度加载谱生成的检测环境。

所述温控箱用于提供检测空间，监测箱体温度并对箱内空气温度进行加热或制冷。

所述载物平台及其支架固定在温控箱内，用于支撑各种检测装置。

所述激光发射器置于温控箱外，并在温控箱上留有激光透过窗口，测头固定在载物平台上，反射器固定在滑块上，用于测量非均匀温度场下绝对式光栅尺全测量范围的位置信息。

所述定向红外加热装置和固定在温控箱的箱体上，用于模拟外部热源对绝对式光栅尺主尺两端加热，定向红外加热装置和的控制柜置于温控箱外。

所述温度传感器安装在绝对式光栅尺主尺上，用于收集检测过程中绝对式光栅尺主尺温度变化。

所述绝对式光栅尺主尺安装在载物平台上，读数头安装在滑块上，用于测量非均匀温度场下绝对式光栅尺全测量范围的位置信息。

所述滑块安装在导轨上并与SLP25高精度位移系统连接，通过滑块带动反射器和读数头移动实现绝对式光栅尺全测量范围的检测。

所述SLP25高精度位移系统安装在位移系统承载平台，利用SLP25高精度位移系统结构简单、高精度、高运动速度以及高运动加速度的特点满足绝对式光栅尺全测量范围检测需求。

所述位移系统承载平台固定在支架上，用于支撑SLP25高精度位移系统运行。

所述数据采集卡用于采集绝对式光栅尺及温度传感器数据以及向激光干涉仪、定向红外加热装置和SLP25高精度位移系统发生运行指令。

所述上位机用于向数据采集卡发送开始或结束检测的指令以及接受来自激光干涉仪和数据采集卡的检测数据，通过在绝对式光栅尺全测量范围内对比读数头测得的位置信息及激光干涉仪测得的位置信息，确定非均匀温度场下绝对式光栅尺全测量范围热变形。

本发明的有益效果：

本发明所述的用于检测非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形的检测装置，通过模拟接近实际工况的非均匀温度场并检测绝对式光栅尺全测量范围内的热变形，提高检测结果的准确性，有助于改善绝对式光栅尺测量精度。此外，通过设置合理的加载温度及部位，考虑温度的老化作用，该检测装置还可开展绝对式光栅尺加速寿命试验，用于研究实际工况中绝对式光栅尺性能退化机理。

本发明已作为绝对式光栅尺全测量范围误差实验室检测装置之一，结果表明检测精度得到大幅提高。

附图说明

图1为非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置结构示意图；

图2为非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置的信号处理示意图；

图3为非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置的操作流程图。

具体实施方式

结合图1至图3说明本实施方式，非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置，本实施方式中的非均匀温度场是指通过收集绝对式光栅尺典型工况中环境温度及外部热源信息，如机床加工中的电机散热及前后轴承热传导作用，利用有限元仿真软件的“固体热传导”模块模拟绝对式光栅尺典型工况的环境及外部热源，然后利用“固体力学”和“多物理场耦合分析”模块开展绝对式光栅尺仿真模型热变形分析，根据仿真分析结果得到绝对式光栅尺外部温度加载谱，最后通过试验装置对绝对式光栅尺施加外部温度加载谱生成的检测环境。

本实施方式所述的非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置，由温控箱内试验装置组成，如图1所示，包括温控箱1用于提供检测空间并控制空气温度，载物平台2用于承载检测装置并固定在支架上，激光发射器3-1置于温控箱1外，并在温控箱1上留有激光透过窗口，测头3-2固定在载物平台2-1上，反射器3-3固定在滑块7上，用于模拟外部热源对绝对式光栅尺主尺6-1两端加热，定向红外加热装置4-1和4-2的控制柜4-3置于温控箱1外，绝对式光栅尺主尺6-1安装在载物平台2上，读数头6-2安装在滑块7上，多个温度传感器5(10个以上)安装在绝对式光栅尺主尺6-1上，用于收集检测过程中绝对式光栅尺主尺6-1温度变化，滑块7安装在导轨8上并与SLP25高精度位移系统9连接，通过滑块带动反射器3-3和读数头6-2移动实现绝对式光栅尺全测量范围的检测，位移系统承载平台10固定在支架上，用于支持SLP25高精度位移系统9的运行。

本发明所述的非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置还由温控箱外信号处理电路组成，如图2所示，包括，数据采集卡11用于采集绝对式光栅尺6及温度传感器5数据以及向激光干涉仪3、定向红外加热装置的控制柜4-3和SLP25高精度位移系统9发生运行指令，上位机12用于向数据采集卡11发送开始或结束检测的指令以及接受来自激光干涉仪3和数据采集卡11的检测数据，通过在绝对式光栅尺全测量范围内对比读数头6-2测得的位置信息及激光干涉仪3测得的位置信息，确定非均匀温度场下绝对式光栅尺全测量范围热变形。

本发明所述的非均匀温度场下绝对式光栅尺热变形检测装置操作流程如图3所示，通过收集绝对式光栅尺典型工况下环境温度及外部热源信息，利用有限元仿真软件的“固体热传导”模块模拟绝对式光栅尺典型工况的环境及外部热源，然后利用“固体力学”和“多物理场耦合分析”模块开展绝对式光栅尺仿真模型热变形分析，根据仿真分析结果得到绝对式光栅尺外部温度加载谱。上位机12发出开始检测指令后将温度加载谱发送至温控箱1及定向红外加热装置的控制柜4-3，通过定向红外装置4-1和4-2向绝对式光栅尺主尺6-1两端加热并设定空气温度，生成检测所需的非均匀温度场。上位机12设置检测起点并向SLP25高精度位移系统9发送移动指令，利用SLP25高精度位移系统9控制滑块7上的反射器3-3及读数头6-2，实现绝对式光栅尺全测量范围的检测。数据采集卡11记录读数头6-2提供的绝对式光栅尺位置信息及温度传感器5测得的绝对式光栅尺主尺6-1的温度信息，同时向激光干涉仪3发送快速脉冲，引导激光干涉仪3完成同时刻绝对式光栅尺位置信息测量。激光干涉仪3将所测绝对式光栅尺位置信息发送至上位机12，待绝对式光栅尺全测量范围检测完成后，上位机12发出检测结束指令并利用下式计算非均匀温度场下绝对式光栅尺全测量范围热变形。

Δδ(x,T)＝|δ

其中，x表示绝对式光栅尺全测量范围上的测量点，T表示各测量点对应的主尺温度，δ