数控机床几何精度辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种数控机床几何精度辨识方法，基于九线误差辨识法，包括以下步骤：步骤（1）建立误差辨识模型；步骤（2）误差检测与误差源辨识，对滚转角误差进行修正，得到在机床坐标系下度量的滚转角误差；步骤（3）进行计算机仿真，首分别求解传统九线法与改进九线法得到的误差源辨识结果，多次重复上述过程，分析两种方法所得结果的统计特征，并比较两者的差别。与现有技术相比，本发明专利技术提高了误差辨识结果的稳定性，并实现运动副制造安装误差的溯源。针对传统九线法滚转角误差辨识中存在原理性偏差的问题，提出一种实验修正方法，提高滚转角误差的辨识精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数控机床几何误差辨识模型技术，尤其涉及数控机床中几何精度（特别是平动轴滚转角）误差的辨识方法。 
技术介绍
误差补偿是提高数控机床几何精度的一种有效手段，三个平动轴的精度检测是整机误差补偿最为基础的一部分内容，基于激光干涉仪的机床误差检测方法大致可分为两类：一类是单项误差直接检测法；一类是综合误差检测法，其中应用最为广泛的为基于激光测量原理的“九线法”，“九线法”将误差测量技术与误差分离技术有机结合起来，能够用最少的测量线数实现机床全部几何误差的快速辨识，但是“九线法”存在三点问题：其一，由于激光的测量坐标系与机床坐标系存在偏差，导致滚转角误差的辨识结果存在原理性误差；其二，辨识算法鲁棒性不佳，误差辨识结果对测量噪声以及机床重复精度过于敏感。除此之外，九线法模型中不含机床结构参数，所得误差辨识结果主要用于误差补偿，而对机床精度设计与装配工艺优化没有太多指导意义，从而制约了九线法的应用范围。 
技术实现思路
为了克服现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种数控机床几何精度辨识方法，基于九线误差辨识法，在传统的九线误差辨识法之上添加了滚转角偏差修正功能，以及计算机仿真技术。 本专利技术提出了一种数控机床几何精度辨识方法，该方法包括以下步骤： 步骤（1）、建立误差辨识模型，即计算得到测量点P1在坐标xj位置处的9个误差辨识方程矩阵： δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]I3-[rP3×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)ΔrP3(zj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]I3-[rP3×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)ΔrP3(zj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]I3-[rP3×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)ΔrP3(zj)]]>式中，εx(xj)该测量点所在位置滚转角误差；为点Pi在位置j处的位置误差向量；为位置矢量的反对称矩阵，分别对应x,y,z三个坐标轴； 为位置矢量的反对称矩阵，且有： ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0;]]>步骤（2）、误差检测与误差源辨识，具体包括以下操作： 选取测量方案，利用激光干涉仪检测各测量线上的位置误差，将检测结果代入步骤（1）中所述方程，辨识运动部件的6维位姿误差； 修正滚转角偏差，其具体测量方法为： （1）在主轴箱上同时或分别固定两块千分表，并将测杆与工作台面接触； （2）当工作台分别运动至xa、xb位置时，其中1≤a＜b≤n，记录千分表读数Δz′i(xa)、Δz′i(xb)，其中i＝1,2表示千分表序号； （3）在四个测量点处根据式(5)分别得到4个Z向误差方程式 Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)]]>由于工作台面与X轴的不平行以及千分表测量基准与式(10)不同，导致千分表测量值与式(10)中等号左侧的理论值并不对等。为解决这一问题，采用如式(11)所示的作差处理，建立两者的联系： [Δz1(xb)-z1(xa)]-[Δz2(xb)-Δz2(xa)]=[Δz′1(xb)-Δz′1(xa)]-[Δz′2(xb)-Δz′2(xa)]   (11) rPi=(XiYiZi)T,i=1,2,3---(4)]]>Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)---(10)]]>将式(4)、式(10)代入式(11)，即可求得偏差系数K，而后利用K值对九线法辨识出的滚转角误差进行修正，得到在机床坐标系下度量的滚转角误差； 步骤（3）、进行计算机仿真，首先给定当机床运动至坐标x时拖板的6项几何误差值，利用误差映射模型得到测量点Pi(i＝1,2,3)理想的空间位置误差，在理想值上线性叠加一个高斯噪声作为实际测量结果的模拟值，而后分别求解传统九线法与改进九线法得到的误差源辨识结果，多次重复上述过程，分析两种方法所得结果的统计特征，并比较两者的差别。 所述测量点位置的优化规划过程，包括以下步骤： 首先，计算优化目标 minf=16Σi=16σi]]>式中，σi表示第i个误差源辨识结果的标准差； 然后，设计变量(测量点位置)：以及最后，计算约束条件(测量空间限制)： Xmin≤Xi≤XmaxYmin≤Yi≤YmaxZmin≤Zi≤Zmax]]>上式中，Xmin/Ymin/Zmin及Xmax/Ymax/Zmax表示工作台允许布置的测量点坐标范围；得到测量点的规划原则为：第一点与第二点选在距所测轴线导轨最近测量面对角线的两端点处，第三点选在最远测量面内垂直于所测轴线的一条边的中点处。 与现有技术相比，本专利技术提高了误差辨识结果的稳定性，并实现运动副制造安装误差的溯源。针对传统九线法滚转角误差辨识中存在原理性偏差的问题，提出一种实验修正方法，提高滚转角误差的辨识精度。 附图说明图1是九线法X轴误差测量原理示意图； 图2是九线辨识法原理性偏差示意图； 图3是X轴坐标系统示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床几何精度辨识方法，基于九线误差辨识法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤（1）、建立误差辨识模型，即计算得到测量点P1在坐标xj位置处的9个误差辨识方程矩阵：δ(xj)ϵ(xj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(xj)ΔrP2(xj)...ΔrPi(xj)]]>δ(yj)ϵ(yj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(yj)ΔrP2(yj)...ΔrPi(yj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)...ΔrPi(zj)]]>式中，εx(xj)该测量点所在位置滚转角误差；为点Pi在位置j处的位置误差向量；为位置矢量的反对称矩阵，分别对应x,y,z三个坐标轴；为位置矢量的反对称矩阵，且有：ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(yj)=ΔxPi(yj)ΔyPi(yj)ΔzPi(yj),[rPi×]=0-ZiXiZi0-Yi-XiYi0]]>ΔrPi(zj)=ΔxPi(zj)ΔyPi(zj)ΔzPi(zj),[rPi×]=0-YiXiYi0-Zi-XiZi0;]]>步骤（2）、误差检测与误差源辨识，具体包括以下操作：选取测量方案，利用激光干涉仪检测各测量线上的位置误差，将检测结果代入步骤（1）中所述方程，辨识运动部件的6维位姿误差；修正滚转角偏差，其具体测量方法为：（1）在主轴箱上同时或分别固定两块千分表，并将测杆与工作台面接触；（2）当工作台分别运动至xa、xb位置时，其中1≤a＜b≤n，记录千分表读数Δz′i(xa)、Δz′i(xb)，其中i＝1,2表示千分表序号；（3）在四个测量点处根据式(5)分别得到4个Z向误差方程式Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)]]>由于工作台面与X轴的不平行以及千分表测量基准与式(10)不同，导致千分表测量值与式(10)中等号左侧的理论值并不对等。为解决这一问题，采用如式(11)所示的作差处理，建立两者的联系：[Δz1(xb)‑Δz1(xa)]‑[Δz2(xb)‑Δz2(xa)]=[Δz′1(xb)‑Δz′1(xa)]‑[Δz′2(xb)‑Δz′2(xa)]   (11)rPi=(XiYiZi)T,i=1,2,3---(4)]]>Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)---(10)]]>将式(4)、式(10)代入式(11)，即可求得偏差系数K，而后利用K值对九线法辨识出的滚转角误差进行修正，得到在机床坐标系下度量的滚转角误差；步骤（3）、进行计算机仿真，首先给定当机床运动至坐标x时拖板的6项几何误差值，利用误差映射模型得到测量点Pi(i＝1,2,3)理想的空间位置误差，在理想值上线性叠加一个高斯噪声作为实际测量结果的模拟值，而后分别求解传统九线法与改进九线法得到的误差源辨识结果，多次重复上述过程，分析两种方法所得结果的统计特征，并比较两者的差别。...

【技术特征摘要】
1.一种数控机床几何精度辨识方法，基于九线误差辨识法，其特征在于，该方法
包括以下步骤：
步骤（1）、建立误差辨识模型，即计算得到测量点P1在坐标xj位置处的9个误差辨
识方程矩阵：
δ(xj)ϵ(xj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(xj)ΔrP2(xj)...ΔrPi(xj)]]>δ(yj)ϵ(yj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(yj)ΔrP2(yj)...ΔrPi(yj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)...ΔrPi(zj)]]>式中，εx(xj)该测量点所在位置滚转角误差；为点Pi在位置j处
的位置误差向量；为位置矢量的反对称矩阵，分别对应x,y,z三个坐标轴；为位置矢量的反对称矩阵，且有：
ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(yj)=ΔxPi(yj)ΔyPi(yj)ΔzPi(yj),[rPi×]=0-ZiXiZi0-Yi-XiYi0]]>ΔrPi(zj)=ΔxPi(zj)ΔyPi(zj)ΔzPi(zj),[rPi×]=0-YiXiYi0-Zi-XiZi0;]]>步骤（2）、误差检测与误差源辨识，具体包括以下操作：
选取测量方案，利用激光干涉仪检测各测量线上的位置误差，将检测结果代入
步骤（1）中所述方程，辨识运动部件的6维位姿误差；
修正滚转角偏差，其具体测量方法为：
（1）在主轴箱上同时或分别固定两块千分表，并将测杆与工作台面接触；
（2）当工作台分别运动至xa、xb位置时，其中1≤a＜b≤n，记录千分表读数Δz′i(xa)、
Δz′i(xb)，其中i＝1,2表示千分表序号；
（3）在四个测量点处根据式(5)分别得到4个Z向误差方程式
Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb...

【专利技术属性】
技术研发人员：田文杰，潘琪，张大卫，常文芬，聂应新，郭龙真，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12