基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法技术

一种基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法。其包括构成由数控机床和LaserTRACER组成的测量系统，并利用该测量系统测量得到机床末端位姿误差；建立数控机床21项几何误差和上述机床末端位姿误差之间的映射模型；建立机床末端位姿误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射模型；建立上述多项式系数向量的辨识方程组；对多项式系数向量p的辨识方程组进行可辨识性分析；使用Matlab对工作空间中的测量轨迹进行仿真优化等步骤。本发明专利技术可在测量较少数据量的前提下达到较好的辨识效果，为数控机床的加工能力评价以及误差补偿提供数据支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数控机床几何误差精密测量与辨识
，特别是涉及一种基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法。
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，而数控机床三个平动轴的误差检测和辨识是误差补偿最为基础的一部分。目前应用最为广泛的数控机床误差检测方法有两类：一类是基于激光干涉仪的单项误差直接测量法，此方法虽测量结果准确，但需要经验丰富的工程技术人员多次精准调试干涉仪镜组的位置分别测量各项误差，自动化程度低，耗时较长。另一类是间接误差辨识法，其中应用最广的是“9线法”和“球杆仪法”，两者均可快速辨识出机床的全部几何误差。但“9线法”在测量定位误差和直线度误差时忽略了垂直度误差引起的阿贝误差的影响；“球杆仪法”尽管实现了多轴联动测量，但测量范围仅限以球杆长度为半径的半圆面，并不能完全代表机床的整个工作空间。2014年德国Etalon AG研制出一种名为LaserTRACER-NG(以下简称LaserTRACER)的测量仪器。该测量仪器主要包括激光头、标靶和电控单元，电控单元与激光头相连接；测量中激光头自动追踪靶标，电控单元自动记录靶标到激光头的实际距离。但目前尚未发现将LaserTRACER用于多项式描述数控机床平动轴几何误差随位置坐标的变化的误差辨识方面的应用。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法。为了达到上述目的，基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法包括按顺序进行的下列步骤：1)构成由数控机床和LaserTRACER组成的测量系统，并利用该测量系统测量得到机床末端位姿误差；2)建立数控机床21项几何误差和上述机床末端位姿误差之间的映射模型；3)建立机床末端位姿误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射模型；4)建立上述多项式系数向量的辨识方程组；5)对上述多项式系数向量p的辨识方程组进行可辨识性分析；6)使用Matlab对工作空间中的测量轨迹进行仿真优化。在步骤1)中所述的测量系统中，数控机床主要包括床身、立柱、X导轨、Y导轨、Y滑台、Z导轨、Z滑台和主轴；其中床身的上端面为工作台，X导轨安装在床身两侧面的X轴方向，门形立柱的下端内侧与X导轨沿X轴方向形成移动副；Y导轨安装在立柱上端横梁上的Y轴方向，Y滑台与Y导轨沿Y轴方向形成移动副；Z导轨安装在Y滑台的Z轴方向，Z滑台与Z导轨沿Z轴方向形成移动副；主轴安装在Z滑台的下端面；LaserTRACER主要包括激光头、标靶和电控单元；标靶安装在主轴的下端面；激光头依次放置在工作台的表面呈口字形的四个位置上，并且与电控单元相连，从而组成数控机床和LaserTRACER的测量系统。在步骤2)中，所述的建立数控机床21项几何误差和上述机床末端位姿误差之间的映射模型的方法为：首先将数控机床看作由多个刚体串联而成的多体系统；其次使用多体理论描述数控机床上各运动部件之间的拓扑关系；再次使用齐次坐标变换矩阵相乘表示与数控机床相邻部件固连参考坐标系之间的位姿转换关系；最后建立起数控机床21项几何误差与机床末端位姿误差之间的映射模型。在步骤3)中，所述的建立机床末端位姿误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射模型的方法为：首先将21项几何误差中位置相关的几何误差使用多项式模型描述，位置独立几何误差，即垂直度误差作为一个常数不作处理，得到21项几何误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射关系；其次结合步骤2)中数控机床21项几何误差和机床末端位姿误差之间的映射模型，建立机床末端位姿误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射模型。在步骤4)中，所述的建立上述多项式系数向量的辨识方程组的方法为：首先在数控机床的工作空间中选定m个测量点，利用步骤3)中的映射模型对于每个测量点得到含3个误差辨识方程的方程组；其次，利用得到的含3个误差辨识方程的m个方程组组合成一个包含3m个误差辨识方程的方程组，即得到上述多项式系数向量的辨识方程组。在步骤5)中，所述的对上述多项式系数向量p的辨识方程组进行可辨识性分析的方法为：首先，在靶标没有偏置、水平方向和垂直方向偏置三种情况下，观察误差映射矩阵中的列向量，确定其中线性相关以及潜在相关的列向量；其次，将误差映射矩阵中线性相关的列向量以及对应多项式系数向量p中多项式系数向量去掉，而潜在线性相关的列向量通过测量参数设置使得其相互独立；最后，线性独立的多项式系数向量p通过求解联立靶标没有偏置、水平方向和垂直方向偏置情况下的辨识方程组得到。在步骤6)中，所述的使用Matlab对工作空间中的测量轨迹进行仿真优化的方法为：首先初始给定一组21项几何误差；其次利用步骤2)中机床误差模型计算得到测量点的理想位置误差；再次在上述理想位置误差基础上线性叠加一个高斯噪声用以模拟实际测量结果的随机误差；最后通过最小二乘法计算实际误差值和初始误差的相对误差，多次重复以上过程，直到找到一组测量轨迹使得辨识相对误差足够小，至此，完成使用Matlab对工作空间10中的测量轨迹进行仿真优化的过程。与现有的辨识方法相比，首先本专利技术提供的基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法是将激光头放置在数控机床工作台的4个不同位置，分别对安装在数控机床主轴上的标靶的位置进行标定，用类似于“GPS定位”的多边定位原理，能够实现机床误差的快速标定、精密测量，且将数控机床测量范围扩展到数控机床整个工作空间。另外，可以在测量较少数据量的前提下达到较好的辨识效果。其次将辨识结果使用多项式模型拟合位置相关几何误差随机床位置的变化，可以使用建立的误差模型和辨识得到的21项几何误差反向计算数控机床加工空间内任意一点的误差值，为数控机床的加工能力评价以及误差补偿提供数据支持。附图说明图1为本专利技术提供的基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法流程图；图2为本专利技术方法采用的测量系统结构示意图。图3为数控机床结构简图以及坐标系的位置；图4为测量轨迹仿真流程图；具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术提供的基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法包括按顺序进行的下列步骤：1)构成由数控机床和LaserTRACER组成的测量系统，并利用该测量系统测量得到机床末端位姿误差；如图2所示，在所述的测量系统中，数控机床主要包括床身1、立柱3、X导轨4、Y导轨、Y滑台5、Z导轨、Z滑台6和主轴7；其中床身1的上端面为工作台2，X导轨4安装在床身1两侧面的X轴(前后)方向，门形立柱3的下端内侧与X导轨4沿X轴方向形成移动副；图中未示出的Y导轨安装在立柱3上端横梁上的Y轴(左右)方向，Y滑台5与Y导轨沿Y轴方向形成移动副；图中未示出的Z导轨安装在Y滑台5的Z轴(上下)方向，Z滑台6与Z导轨沿Z轴方向形成移动副；主轴7安装在Z滑台6的下端面；LaserTRACER主要包括激光头9、标靶8和图中未示出的电控单元；标靶8安装在主轴7的下端面；激光头9依次放置在工作台2的表面呈口字形的四个位置上，并且与电控单元相连；标靶8能够随主轴7在X、Y、Z轴方向移动的最大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法，其特征在于：其包括按顺序进行的下列步骤：1)构成由数控机床和LaserTRACER组成的测量系统，并利用该测量系统测量得到机床末端位姿误差；2)建立数控机床21项几何误差和上述机床末端位姿误差之间的映射模型；3)建立机床末端位姿误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射模型；4)建立上述多项式系数向量的辨识方程组；5)对上述多项式系数向量p的辨识方程组进行可辨识性分析；6)使用Matlab对工作空间中的测量轨迹进行仿真优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法，其特征在于：其包括按顺序进行的下列步骤：1)构成由数控机床和LaserTRACER组成的测量系统，并利用该测量系统测量得到机床末端位姿误差；2)建立数控机床21项几何误差和上述机床末端位姿误差之间的映射模型；3)建立机床末端位姿误差和21项几何误差多项式系数向量之间的映射模型；4)建立上述多项式系数向量的辨识方程组；5)对上述多项式系数向量p的辨识方程组进行可辨识性分析；6)使用Matlab对工作空间中的测量轨迹进行仿真优化。2.根据权利要求1所述的基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法，其特征在于：在步骤1)中所述的测量系统中，数控机床主要包括床身(1)、立柱(3)、X导轨(4)、Y导轨、Y滑台(5)、Z导轨、Z滑台(6)和主轴(7)；其中床身(1)的上端面为工作台(2)，X导轨(4)安装在床身(1)两侧面的X轴方向，门形立柱(3)的下端内侧与X导轨(4)沿X轴方向形成移动副；Y导轨安装在立柱(3)上端横梁上的Y轴方向，Y滑台(5)与Y导轨沿Y轴方向形成移动副；Z导轨安装在Y滑台(5)的Z轴方向，Z滑台(6)与Z导轨沿Z轴方向形成移动副；主轴(7)安装在Z滑台(6)的下端面；LaserTRACER主要包括激光头(9)、标靶(8)和电控单元；标靶(8)安装在主轴(7)的下端面；激光头(9)依次放置在工作台(2)的表面呈口字形的四个位置上，并且与电控单元相连，从而组成数控机床和LaserTRACER的测量系统。3.根据权利要求1所述的基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的建立数控机床21项几何误差和上述机床末端位姿误差之间的映射模型的方法为：首先将数控机床看作由多个刚体串联而成的多体系统；其次使用多体理论描述数控机床上各运动部件之间的拓扑关系；再次使用齐次坐标变换矩阵相乘表示与数控机床相邻部件固连参考坐标系之间的位姿转换关系；最后建立起数控机床21项几何误差与机床末端位姿误差之间的映射模型。4.根据权利要求1所述的基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少朋，田文杰，张大卫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12