基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法技术

基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，先在XOY、XOZ、YOZ三个测量平面内，分别在平面光栅的测量范围内设计规划测量路径；然后依次对XOY、XOZ、YOZ平面的各项误差进行辨识，先辨识得到测量平面上两轴间的垂直度误差，消除垂直度误差影响后利用不同轨迹间关系辨识得到俯仰和偏摆角度误差，消除角度误差影响后辨识得到定位误差与直线度误差，最后结合三个平面辨识得到的已有误差代入模型辨识得到滚转角度误差；对每项几何误差项进行参数化建模，采用正交多项式拟合的方法得到每项几何误差的误差曲线，最终实现空间几何误差的全部辨识过程；本发明专利技术能够满足空间几何误差的辨识需求，同时具有高测量效率，高测量精度的优点。

Spatial geometric error measurement and identification method for three plane five wire machine tools based on plane grating

Three five line machine tool geometric error measurement and identification method of plane grating based on XOY, XOZ, YOZ in the first three measuring plane, design and planning of measuring path in the measurement range of planar gratings respectively; then the error of XOY, XOZ, YOZ plane was identified, first identified two axis measurement plane the verticality error elimination effect after using different Perpendicularity Error between the identified trajectory pitch and yaw angle error, eliminate the effect of angle error after identifying the location error and linearity error, finally combining the existing error into the model identification of three plane identification obtained roll angle error; parametric modeling of each geometry the error by orthogonal polynomial fitting method, get the error curve of each geometric error, finally realize the spatial geometric errors of all The identification process can meet the identification requirement of space geometric error, and it has the advantages of high measurement efficiency and high measurement precision.

【技术实现步骤摘要】
基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法
本专利技术属于数控机床加工精度
，具体涉及一种基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法。
技术介绍
机床存在的原始几何误差及加工过程中的热误差等误差因素严重影响机床的加工精度，其中几何误差和热误差占全部误差的40％～70％，因此，解决几何误差是提高数控机床精度的关键技术，具有重要意义。几何误差主要由数控机床零部件本身的形位精度及装配过程中产生的装配误差等引起，并且随着机床的运动反映到运动部件上，进而影响机床的加工精度。几何误差属于机床本身固有的误差，包括定位误差、直线度误差、角度误差、垂直度误差等。目前误差的消除方法主要有误差预防法和误差补偿法，误差预防法由于周期长、成本高等问题应用较少，误差补偿法通过软件反向叠加补偿值的方法可以快速有效地消除误差影响。针对空间几何误差，其补偿技术主要受限于误差辨识，目前主要采用的方法为单项误差测量和空间几何误差辨识，单项误差测量的效率低、所需仪器多，难以解决生产问题，空间几何误差辨识法通过测量所需信息，利用空间误差模型辨识得到各项几何误差值，进而实现空间几何误差的补偿。国内外学者针对几何误差补偿做了大量的研究工作，目前空间几何误差辨识的主要方法有：DBB测量法、基于激光干涉仪的多线法、分步体对角线法、分步辨识法等。基于激光干涉仪的多线法包括九线法、十四线法等，这些方法需要利用干涉仪测量空间内多条特定直线的误差，测量效率上存在一些不足，同时增加了测量误差产生的可能性；分步体对角线法通过对机床测量空间的四条体对角线进行测量辨识得到空间几何误差值，该方法对测量设备安装很敏感，同时单以此方法得到的辨识结果是不可靠的，存在误差间相互掩盖的可能；分步辨识法利用平面光栅进行不同平面上多次不同轨迹的测量，利用不同轨迹独立辨识得到各项误差；这些现象表明现有的空间几何误差辨识方法仍存在测量效率和测量精度上的一些不足。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，能够满足空间几何误差的辨识需求，同时具有高测量效率，高测量精度的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，包括以下步骤：1)在XOY、XOZ、YOZ三个测量平面内，分别在平面光栅的测量范围内设计规划测量路径；针对XOY平面Ⅰ，在平面光栅测量范围内划定测量路径：路径端点为AⅠ(x10，y10，z0)、BⅠ(x11，y10，z0)、CⅠ(x11，y11，z0)、DⅠ(x10，y11，z0)，首先以AⅠ为起点沿路径L10运动至BⅠ；其次以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；再以DⅠ为起点沿路径L12运动至CⅠ；再以CⅠ为起点沿路径L13运动至BⅠ；再以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；最后以DⅠ为起点沿L14运动至AⅠ；在XOZ平面Ⅱ按相同方式规划路径：路径端点为AⅡ(x20，y0，z20)、BⅡ(x21，y0，z20)、CⅡ(x21，y0，z21)、DⅡ(x20，y0，z20)；首先以AⅡ为起点沿路径L20运动至BⅡ；其次以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；再以DⅡ为起点沿路径L22运动至CⅡ；再以CⅡ为起点沿路径L23运动至BⅡ；再以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；最后以DⅡ为起点沿L24运动至AⅡ；在YOZ平面Ⅲ按相同方式规划路径：路径端点为AⅢ(x0，y30，z30)、BⅢ(x0，y31，z30)、CⅢ(x0，y31，z31)、DⅢ(x0，y30，z31)；首先以AⅢ为起点沿路径L30运动至BⅢ；其次以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；再以DⅢ为起点沿路径L32运动至CⅢ；再以CⅢ为起点沿路径L33运动至BⅢ；再以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；最后以DⅢ为起点沿L34运动至AⅢ；2)对XOY平面Ⅰ的各项误差进行辨识：先在XOY测量平面安装平面光栅，进行误差辨识，以路径L10和路径L14为基准线，首先辨识平面内XY轴间的垂直度误差，实际测得的L10和L14的趋势线是与规划迹存在偏转角度的倾斜直线，依据多个测点的测值，采用最小二乘法拟合求出L10和L14的趋势线的斜率a0,a4，计算得到两条趋势线与X轴和Y轴的倾角αx,αy∈[0,π]，进而求得XY轴间垂直度误差为：αx＝tan-1a0,αy＝tan-1a4,通过两条测量路径辨识得到垂直度误差后，将路径L10和路径L14的趋势线旋转至平行于X轴和Y轴，消除耦合的垂直度误差影响，得到路径Ll0和Ll4上修正的测点坐标为(xxl0,yxl0)，(xyl0,yyl0)；同样，将路径L12和路径L13上测量的趋势线旋转至平行于X轴和Y轴消除垂直度误差影响，得到路径L12和路径L13上修正的测点坐标为(xxl1,yxl1)，(xyl1,yyl1)，对于路径L10,L12,L13,L14，设其测点理论坐标值分别为(x1x,y10)(x1x,y11)(x11,y1y)(x10,y1y)，根据测点理论坐标值和修正的测点坐标，在路径L10上得到X轴测量范围内各测点的坐标偏差：Δx0＝xxl0-x1x；X轴测量范围内在Y方向的坐标偏差为：Δy0＝yxl0-y10；在路径L14上采用相同方法得到Y轴测量范围内各测点的坐标偏差：Δy4＝yyl0-y1yY轴测量范围内在X方向的坐标偏差为：Δx4＝xyl0-x10路径L12上各测点X坐标偏差值为Δx2＝xxl1-x1x，比较其与路径L10上各测点X坐标偏差值Δx0，求出测量范围内X轴在XY平面内的偏摆角度误差εzx：路径L13上各测点Y坐标偏差值为Δy3＝yyl1-y1y，比较其与路径L14上各测点X坐标偏差值Δy3，求出测量范围内Y轴在XY平面内的偏摆角度误差εzy：对路径L10和路径L14上辨识得到的坐标偏差进行分析，需要消除角度误差影响才能将耦合在其中的定位误差和直线度误差辨识出来，对路径L10而言，得到X轴的定位误差δxx和Y向直线度误差δyx：δxx＝Δx0+εzxx10δyx＝Δy0-εzxy1x同理消除路径L14上的角度误差得到Y轴的定位误差δyy和X向直线度误差δxy：δxy＝Δx4+εzyy1yδyy＝Δy4-εzyx10；3)在XOZ平面Ⅱ内按照规划路径进行与XOY平面内类似的测量和辨识，得到XZ轴间的垂直度误差Sxz，X轴在XZ平面内的俯仰角度误差εyx，Z轴在XZ平面内的偏摆角度误差εyz，Z轴的定位误差δzz，X轴的Z向直线度误差δzx，Z轴的X向直线度误差δxz；4)在YOZ平面Ⅲ内按照规划路径进行与XOY平面内类似的测量和辨识，得到YZ轴间的垂直度误差Syz，Y轴在YZ平面内的俯仰角度误差εxy，Z轴在YZ平面内的俯仰角度误差εxz，Y轴的Z向直线度误差δyz，Z轴的Y向直线度误差δyz；5)对于XYTZ型三轴机床，基于多体系统的建模理论，按照体间运动关系得到误差齐次坐标变换矩阵，最终得到机床的空间综合误差模型：x0,y0,z0为各测量平面基准点A在机床工件坐标系下与x,y,z轴的距离，工件坐标系原点O为误差原点；在三个测量平面上对各轴测量范围内具有重合段的公共区域进行滚转误差辨识，对XOY测量平面的路径L11，误本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在XOY、XOZ、YOZ三个测量平面内，分别在平面光栅的测量范围内设计规划测量路径；针对XOY平面Ⅰ，在平面光栅测量范围内划定测量路径：路径端点为AⅠ(x10，y10，z0)、BⅠ(x11，y10，z0)、CⅠ(x11，y11，z0)、DⅠ(x10，y11，z0)，首先以AⅠ为起点沿路径L10运动至BⅠ；其次以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；再以DⅠ为起点沿路径L12运动至CⅠ；再以CⅠ为起点沿路径L13运动至BⅠ；再以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；最后以DⅠ为起点沿L14运动至AⅠ；在XOZ平面Ⅱ按相同方式规划路径：路径端点为AⅡ(x20，y0，z20)、BⅡ(x21，y0，z20)、CⅡ(x21，y0，z21)、DⅡ(x20，y0，z20)；首先以AⅡ为起点沿路径L20运动至BⅡ；其次以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；再以DⅡ为起点沿路径L22运动至CⅡ；再以CⅡ为起点沿路径L23运动至BⅡ；再以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；最后以DⅡ为起点沿L24运动至AⅡ；在YOZ平面Ⅲ按相同方式规划路径：路径端点为AⅢ(x0，y30，z30)、BⅢ(x0，y31，z30)、CⅢ(x0，y31，z31)、DⅢ(x0，y30，z31)；首先以AⅢ为起点沿路径L30运动至BⅢ；其次以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；再以DⅢ为起点沿路径L32运动至CⅢ；再以CⅢ为起点沿路径L33运动至BⅢ；再以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；最后以DⅢ为起点沿L34运动至AⅢ；2)对XOY平面Ⅰ的各项误差进行辨识：先在XOY测量平面安装平面光栅，进行误差辨识，以路径L10和路径L14为基准线，首先辨识平面内XY轴间的垂直度误差，实际测得的L10和L14的趋势线是与规划轨迹存在偏转角度的倾斜直线，依据多个测点的测值，采用最小二乘法拟合求出L10和L14的趋势线的斜率a0,a4，计算得到两条趋势线与X轴和Y轴的倾角αx,αy∈[0,π]，进而求得XY轴间垂直度误差为：αx＝tan...

【技术特征摘要】
1.一种基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在XOY、XOZ、YOZ三个测量平面内，分别在平面光栅的测量范围内设计规划测量路径；针对XOY平面Ⅰ，在平面光栅测量范围内划定测量路径：路径端点为AⅠ(x10，y10，z0)、BⅠ(x11，y10，z0)、CⅠ(x11，y11，z0)、DⅠ(x10，y11，z0)，首先以AⅠ为起点沿路径L10运动至BⅠ；其次以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；再以DⅠ为起点沿路径L12运动至CⅠ；再以CⅠ为起点沿路径L13运动至BⅠ；再以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；最后以DⅠ为起点沿L14运动至AⅠ；在XOZ平面Ⅱ按相同方式规划路径：路径端点为AⅡ(x20，y0，z20)、BⅡ(x21，y0，z20)、CⅡ(x21，y0，z21)、DⅡ(x20，y0，z20)；首先以AⅡ为起点沿路径L20运动至BⅡ；其次以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；再以DⅡ为起点沿路径L22运动至CⅡ；再以CⅡ为起点沿路径L23运动至BⅡ；再以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；最后以DⅡ为起点沿L24运动至AⅡ；在YOZ平面Ⅲ按相同方式规划路径：路径端点为AⅢ(x0，y30，z30)、BⅢ(x0，y31，z30)、CⅢ(x0，y31，z31)、DⅢ(x0，y30，z31)；首先以AⅢ为起点沿路径L30运动至BⅢ；其次以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；再以DⅢ为起点沿路径L32运动至CⅢ；再以CⅢ为起点沿路径L33运动至BⅢ；再以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；最后以DⅢ为起点沿L34运动至AⅢ；2)对XOY平面Ⅰ的各项误差进行辨识：先在XOY测量平面安装平面光栅，进行误差辨识，以路径L10和路径L14为基准线，首先辨识平面内XY轴间的垂直度误差，实际测得的L10和L14的趋势线是与规划轨迹存在偏转角度的倾斜直线，依据多个测点的测值，采用最小二乘法拟合求出L10和L14的趋势线的斜率a0,a4，计算得到两条趋势线与X轴和Y轴的倾角αx,αy∈[0,π]，进而求得XY轴间垂直度误差为：αx＝tan-1a0,αy＝tan-1a4,通过两条测量路径辨识得到垂直度误差后，将路径L10和路径L14的趋势线旋转至平行于X轴和Y轴，消除耦合的垂直度误差影响，得到路径Ll0和Ll4上修正的测点坐标为(xxl0,yxl0)，(xyl0,yyl0)；同样，将路径L12和路径L13上测量的趋势线旋转至平行于X轴和Y轴消除垂直度误差影响，得到路径L12和路径L13上修正的测点坐标为(xxl1,yxl1)，(xyl1,yyl1)，对于路径L10,L12,L13,L14，设其测点理论坐标值分别为(x1x,y10)(x1x,y11)(x11,y1y)(x10,y1y)，根据测点理论坐标值和修正的测点坐标，在路径L10上得到X轴测量范围内各测点的坐标偏差：Δx0＝xxl0-x1x；X轴测量范围内在Y方向的坐标偏差为：Δy0＝yxl0-y10；在路径L14上采用相同方法得到Y轴测量范围内各测点的坐标偏差：Δy4＝yyl0-y1yY轴测量范围内在X方向的坐标偏差为：Δx4＝xyl0-x10路径L12上各测点X坐标偏差值为Δx2＝xxl1-x1x，比较其与路径L10上各测点X坐标偏差值Δx0，求出测量范围内X轴在XY平面内的偏摆角度误差εzx：路径L13上各测点Y坐标偏差值为Δy3＝yyl1-y1y，比较其与路径L14上各测点X坐标偏差值Δy3，求出测量范围内Y轴在XY平面内的偏摆角度误差εzy：对路径L10和路径L14上辨识得到的坐标偏差进行分析，需要消除角度误差影响才能将耦合在其中的定位误差和直线度误差辨识出来，对路径L10而言，得到X轴的定位误差δxx和Y向直线度误差δyx：δxx＝Δx0+εzxx10δyx＝Δy0-εzxy1x同理消除路径L14上的角度误差得到Y轴的定位误差δyy和X向直线度误差δxy：δxy＝Δx4+εzyy1yδyy＝Δy4-εzyx10；3)在XOZ平面Ⅱ内按照规划路径进行与XOY平面内类似的测量和辨识，得到XZ轴间的垂直度误差Sxz，X轴在XZ平面内的俯仰角度误差εyx，Z轴在XZ平面内的偏摆角度误差εyz，Z轴的定位误差δzz，X轴的Z向直线度误差δzx，Z轴的X向直线度误差δxz；4)在YOZ平面Ⅲ内按照规划路径进行与XOY平面内类似的测量和辨识，得到YZ轴间的垂直度误差Syz，Y轴在YZ平面内的俯仰角度误差εxy，Z轴在YZ平面内的俯仰角度误差εxz，Y轴的Z向直线度误差δyz，Z轴的Y向直线度误差δyz；5)对于XYTZ型三轴机床，基于多体系统的建模理论，按照体间运动关系得到误差齐次坐标变换矩阵，最终得到机床的空间综合误差模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：姜歌东，赵鹏巍，陶涛，郭世杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61