一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法，装置包括固定端和移动端，固定端上设有第一激光器、第二激光器、第三激光器、分光镜、聚焦透镜和位置敏感探测器，移动端上设有第一四象限探测器、第二四象限探测器和平面镜；第一激光器、第二激光器、第三激光器出射光平行，其中第一激光器与第二激光器出射的平行光分别照射在第一四象限探测器与第二四象限探测器，第一四象限探测器与第二四象限探测器均可以测量两个方向的直线度误差，利用两个四象限探测器测量的直线度误差可以求得滚转角；第三激光器出射的平行光经反射聚焦透镜聚焦在位置敏感探测器上，位置敏感探测器测量俯仰角与偏摆角。

【技术实现步骤摘要】
一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法
本专利技术属于机床误差测量领域，特别是机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法。
技术介绍
数控机床的加工精度是机床的核心，机床误差测量并补偿是提高机床加工精度的重要手段之一。传统的机床误差测量方法有激光干涉仪检测法、双球规法、激光跟踪干涉仪检测法等，这些方法已经可以实现机床误差的高精度测量，但是难以实现多项几何误差的同时测量，且只能用于静态测量。数控机床在加工过程中，不只存在静态误差，还有动态误差，即随机误差，因此需要对数控机床误差进行实时测量。三轴数控机床有4种结构，分别为TXYZ、XTYZ、XYTZ和XYZT，其中，字母T表示刀具，X、Y、Z表示坐标轴，T前面的各字母表示工件相对于固定基座的运动方向，T后面的字母表示刀具相对于固定基座的运动方向。针对常见的XYTZ型数控机床，研制了一款机床单轴五自由度误差测量装置，该装置可同时在线测量单轴五自由度误差，包括俯仰角、滚转角、偏摆角及两个直线度误差。认为机床光栅尺的精度足够高，故单轴定位误差不进行测量。机床三个轴中每两个轴之间的垂直度误差使用激光干涉仪测量，在机床工作过程中认为垂直度误差恒定不变。三轴数控机床共有21项几何误差，使用三套五自由度误差测量装置和激光干涉仪可以全部确定。为实现机床误差补偿工作，需要建立机床误差模型，将已经测量出的21项几何误差代入模型，从而解算出机床X、Y、Z三个方向的空间误差。当前机床空间误差模型主要采用齐次坐标变换法，但该理论是基于机构运动学衍生出来，分析过程并未遵循阿贝原则、布莱恩原则，导致分析出的空间误差与实际测量值存在差异。针对传统的齐次坐标变换模型，考虑误差测量点偏位的影响，对模型进行修正。考虑五自由度误差测量装置的误差测量点偏位，对修正后的齐次坐标变换模型进行进一步地完善。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法。本专利技术针对传统的齐次坐标变换模型，考虑误差测量点偏位的影响，对模型进行修正。考虑五自由度误差测量装置的误差测量点偏位，对修正后的齐次坐标变换模型进行进一步地完善。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种机床五自由度误差测量装置，包括固定端和移动端，所述固定端上设有第一激光器、第二激光器、第三激光器、分光镜、聚焦透镜和位置敏感探测器，移动端上设有第一四象限探测器、第二四象限探测器和平面镜；第一激光器、第二激光器、第三激光器出射光平行，其中第一激光器与第二激光器出射的平行光分别照射在第一四象限探测器与第二四象限探测器，第一四象限探测器与第二四象限探测器均可以测量两个方向的直线度误差，同时，在已知第一四象限探测器与第二四象限探测器距离的情况下，利用两个四象限探测器测量的直线度误差可以求得滚转角；第三激光器出射的平行光照射在平面镜上，反射光经分光镜反射，经聚焦透镜聚焦在位置敏感探测器上，位置敏感探测器用以测量俯仰角与偏摆角。机床五自由度误差测量装置的误差模型建立方法，包括以下步骤：(1)判断机床结构类型，根据机床结构类型分别在基座上建立参考坐标系；在X滑台、Y滑台、Z滑台上建立局部坐标系，各坐标系在机床位于初始位置时重合且原点位于刀具顶点；根据齐次坐标变换原理，建立误差转换矩阵；考虑X滑台、Y滑台、Z滑台运动过程中的各坐标系之间的关系，建立传统的齐次坐标变换模型；(2)根据实际误差测量点到刀具顶点的偏位，对齐次坐标变换模型进行修正；(3)将机床移动至初始位置，确定三个轴光栅尺读头与刀具顶点之间的偏位，将光栅尺读头位置的误差与偏位代入修正过的齐次坐标变换模型后得到用于机床五自由度误差测量装置的误差模型。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)本专利技术建立机床传统齐次坐标变换模型并指出该模型的不足，即模型建立过程中未考虑阿贝偏位与布莱恩偏位对误差测量结果的影响；(2)本专利技术提供机床传统齐次坐标变换模型的修正方法并对已建立的机床误差模型进行修正；(3)本专利技术针对五自由度误差测量装置，对修正后的齐次坐标变换模型进行进一步地完善，可直接用于五自由度误差测量装置在线测量补偿。附图说明图1是XYTZ型机床结构示意图。其中1为X滑台，2为X光栅尺，3为X光栅尺读头，4为Y滑台，5为Y光栅尺，6为Y光栅尺读头，7为Z滑台，8为Z光栅尺，9为Z光栅尺读头，10为刀具，11为基座，12为立柱，X滑台、Y滑台、Z滑台的运动方向如图中箭头所示。右上角为世界坐标系，坐标轴方向与滑台运动方向相同。图2是XYTZ型机床上坐标系示意图。其中在基座上建立参考坐标系R，分别在X滑台、Y滑台、Z滑台、刀具上建立局部坐标系X、Y、Z、T，方向与参考坐标系R一致。如图2所示，在机床初始位置时，坐标系R、X、Y、Z、T的原点重合且位于刀具顶点。参考坐标系R恒定不变，局部坐标系X、Y、Z、T随各滑台、刀具移动而变化。认为刀具与Z滑台相对位置关系不变。右上角为世界坐标系，坐标轴方向与初始各坐标系方向相同。图3是机床21项误差示意图。每个轴有6个自由度误差，每两轴之间有一个垂直度误差。其中，δxx为X轴定位误差，δyx为X轴Y方向的直线度误差，δzx为X轴Z方向的直线度误差，εxx为X轴滚转角，εyx为X轴俯仰角，εzx为X轴偏摆角，δyy为Y轴定位误差，δxy为Y轴X方向直线度误差，δzy为Y轴Z方向直线度误差，εyy为Y轴滚转角，εxy为Y轴俯仰角，εzy为Y轴偏摆角，δzz为Z轴定位误差，δxz为Z轴X方向直线度误差，δyz为Z轴Y方向直线度误差，εzz为Z轴滚转角，εxz为Z轴俯仰角，εyz为Z轴偏摆角，αxy为X轴与Y轴之间的垂直度，αxz为X轴与Z轴之间的垂直度，αyz为Y轴与Z轴之间的垂直度。定位误差、直线度误差规定与坐标轴正方向相同的误差为正；滚转角、俯仰角、偏摆角正负按照右手螺旋准则确定；垂直度误差的基准为X轴，垂直度误差的正负规定为以两轴正向夹角增大为正。以上误差为各坐标系原点处的误差。机床的X、Y、Z方向的空间误差分别用Ex、Ey、Ez表示。图4为X轴误差测量示意图。误差使用激光干涉仪测量，13为激光干涉仪测量反射镜，因为测量反射镜难以放在刀具顶点上，所以测得的定位误差、Y方向的直线度误差、Z方向的直线度误差与上述刀具顶点的误差存在差异，设激光干涉仪测量的定位误差为δxxc、Y方向的直线度误差为δyxc、Z方向的直线度误差为δzxc，机床在初始位置时，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点X方向的偏位为Lxx0，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点Y方向的偏位为Lyx0，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点Z方向的偏位为Lzx0。同理，Y轴误差测量时，存在定位误差δyyc、X方向的直线度误差δxyc、Z方向的直线度误差δzyc，初始位置时，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点X方向的偏位为Lxy0，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点Y方向的偏位为Lyy0，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点Z方向的偏位为Lzy0；Z轴误差测量时，存在定位误差δzzc、X方向的直线度误差δxzc、Y方向的直线度误差δyzc，初始位置时，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点X方向的偏位为Lxz0，激光干涉仪测量反射镜到刀具顶点Y方向的偏位为Lyz0，激光干涉仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机床五自由度误差测量装置，其特征在于，包括固定端和移动端，所述固定端上设有第一激光器、第二激光器、第三激光器、分光镜、聚焦透镜和位置敏感探测器，移动端上设有第一四象限探测器、第二四象限探测器和平面镜；第一激光器、第二激光器、第三激光器出射光平行，其中第一激光器与第二激光器出射的平行光分别照射在第一四象限探测器与第二四象限探测器，第一四象限探测器与第二四象限探测器均可以测量两个方向的直线度误差，同时，在已知第一四象限探测器与第二四象限探测器距离的情况下，利用两个四象限探测器测量的直线度误差可以求得滚转角；第三激光器出射的平行光照射在平面镜上，反射光经分光镜反射，经聚焦透镜聚焦在位置敏感探测器上，位置敏感探测器用以测量俯仰角与偏摆角。

【技术特征摘要】
1.一种机床五自由度误差测量装置，其特征在于，包括固定端和移动端，所述固定端上设有第一激光器、第二激光器、第三激光器、分光镜、聚焦透镜和位置敏感探测器，移动端上设有第一四象限探测器、第二四象限探测器和平面镜；第一激光器、第二激光器、第三激光器出射光平行，其中第一激光器与第二激光器出射的平行光分别照射在第一四象限探测器与第二四象限探测器，第一四象限探测器与第二四象限探测器均可以测量两个方向的直线度误差，同时，在已知第一四象限探测器与第二四象限探测器距离的情况下，利用两个四象限探测器测量的直线度误差可以求得滚转角；第三激光器出射的平行光照射在平面镜上，反射光经分光镜反射，经聚焦透镜聚焦在位置敏感探测器上，位置敏感探测器用以测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：段发阶，张聪，傅骁，刘文正，苏宇浩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12