机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及多轴数控机床几何误差及旋转台转角定位误差的检定，为提出高效、高精度的多轴数控机床几何误差的检定方法。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，数控机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置，在机床Z轴运动部件上安装有光学测头，在与机床Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列和平面阵列，位于所述组合面型基准件的上方；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束。本发明专利技术主要应用于多轴数控机床几何误差及旋转台转角定位误差的检定场合。

【技术实现步骤摘要】
机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置和方法
本专利技术涉及一种多轴数控机床几何误差及旋转台转角定位误差的检定方法，特别是一种基于组合面型基准件的多轴数控机床几何误差及旋转台转角定位误差的检定方法。
技术介绍
数控机床的误差检定包括误差检测和误差辨识。误差检测和辨识不仅是误差评定的基础，是机床精度评定工作的重要内容，而且是进行机床精度预报和误差补偿的又一关键技术。机床误差检测领域中，使用较为广泛的机床误差检测仪器有激光干涉仪和球杆仪，由于自身检测原理上的因素，这些仪器在应用于多轴数控机床的误差检测中存在各自的不足：如激光干涉仪调整复杂，一次测量只能获得一个参数，操作要求高，难以实现自动化、快速化，并且价格昂贵，一般企业不具备；球杆仪无法随意规划测量路径，为旋转轴误差辨识的测量步骤设计和理论解耦算法研究增加了难度，且球杆仪以磁力座配合精密球进行接触式测量，需要在低速下运动以保证测量精度，很难适应快速化趋势。一维球列适合各轴的直线标定，但对角度误差检测不具优势，而多轴机床各轴之间的相对误差对加工精度影响非常大。针对复杂异型零件的加工，多轴数控加工技术凭借其灵活、高效、高精的特点得到了广本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数控机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置，其特征是，在机床Z轴运动部件上安装有光学测头，在与机床Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列和平面阵列，位于所述组合面型基准件的上方；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，投射到曲面和平面阵列上任意一点的光的能量占总能量的1/2，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述光学测头和所述组合面型基准件测量机床的运动部件在X、...

【技术特征摘要】
1.一种数控机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置，其特征是，在机床Z轴运动部件上安装有光学测头，在与机床Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列和平面阵列，位于所述组合面型基准件的上方；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，投射到曲面和平面阵列上任意一点的光的能量占总能量的1/2，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述光学测头和所述组合面型基准件测量机床的运动部件在X、Y两个方向上的位移和绕X、Y两个方向的转角；所述光学测头和组合面型基准件共同构成多参数检测仪器；在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转台上卡固曲面基准件，在所述曲面基准件上设有多组成对布置的曲面组，每组曲面设有一个曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，每个曲面组内的曲面Ⅰ和曲面Ⅱ设置在同一直径上，相邻两个曲面组的中心线夹角是β，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头的光轴与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心间的距离相等；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述差分光学测头和所述曲面基准件检定机床旋转台转角定位误差。2.一种数控机床几何误差及旋转台转角定位误差检定方法，其特征是，在沿机床Z轴设置的运动部件上安装光学测头，在与Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列和平面阵列，运动部件位于所述组合面型基准件的上方；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列和平面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述光学测头和所述组合面型基准件测量运动部件在X、Y两个方向上的位移和绕X、Y两个方向的转角，X、Z和Y、Z方向位移与转角测量以此类推；机床共有3个运动体X、Y、Z，当A运动体运动时，将产生6项误差：TAX,TAY,TAZ,RAX,RAY,RAZ，其中T表示线性度误差，R表示角度误差；下标的第一个字母表示运动体名称，第二个字母表示受误差影响的机床导轨的名称，机床的实际Y、X导轨并非严格垂直，存在垂直度误差SYX；实际的Z导轨与X、Y两导轨也不严格垂直，存在两个垂直度误差SZX,SZY，故机床共有21项几何误差，采用所述光学测头和所述组合面型基准件，每次测量得到两项位移误差和两项角度误差，通过组合面型基准件多次摆放，直接检测角度误差、垂直度误差、综合三维位移误差；对数控机床平动轴建立几何误差模型，将前述已经测得的角度误差，通过最小二乘法拟合得到角度误差三次多项式，将角度误差三次多项式、垂直度误差、综合三维位移误差带入几何误差模型中，解算得到定位误差三次多项式、直线度误差三次多项式，至此，机床几何误差模型的所有几何误差多项式拟合形式均已知，将机床工作空间中任意一点坐标值输入几何误差模型进行解算得到相应的几何误差预测值，实现空间任一点机床几何误差的预测；在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转台上卡固曲面基准件，在所述曲面基准件上设有多组成对布置的曲面组，每组曲面设有一个曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，每个曲面组内的曲面Ⅰ和曲面Ⅱ设置在同一直径上，相邻两个曲面组的中心线夹角是β，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头的光轴与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心间的距离相等；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述差分光学测头和所述曲面基准件检定机床旋转台转角定位误差。3.如权利要求2所述的数控机床几何误差及旋转台转角定位误差检定方法，其特征是，实现空间任一点机床几何误差的预测具体步骤如下：测量运动部件在X,Y两个方向上的位移具体步骤如下：1)使所述光学测头的光束和所述组合面型基准件上的曲面中心线以及平面法线平行；2)初始时刻，所述光学测头位于位置A0处，所述数据处理模块获取此时光轴在CCD相机中的位置坐标O(x0，y0)；3)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面阵列上的第一位置AI处，此时曲面阵列上对应的测量点为A1(x1，y1，z1)，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：3.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A1′(x1′，y1′)；3.2)将步骤3.1)中的光斑中心位置坐标A1′(x1′，y1′)转换为光斑中心距离光轴X方向距离S1x、Y方向距离S1y；3.3)计算测量点A1斜率对应的角度：ξx＝arctan(s1x/f)/2(1)ξy＝arctan(s1y/f)/2(2)其中：ξx代表测量点A1在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；ξy代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；f代表成像透镜的焦距；3.4)计算测量点A1(x1，y1，z1)的坐标：x1＝g(ξx)(3)y1＝g(ξy)(4)其中：g(x)代表一元函数。4)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面阵列上的第二位置AII处，此时曲面阵列上对应的测量点为A2(x2，y2，z2)，数据处理过程同步骤3)，测量点A2(x2，y2，z2)的坐标为：x2＝g(φx)(5)y2＝g(φy)(6)其中：Φx代表测量点A2在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；Φy代表测量点A2在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角。5)数据处理模块计算运动部件在X、Y两个方向上的位移：M＝g(φx)-g(ξx)+P(7)N＝g(φy)-g(ξy)+Q(8)其中：M代表运动部件在X方向的位移；N代表运动部件在Y方向的位移；P代表第k个曲面和第w个曲面的中心线在X方向的距离；Q代表第k个曲面和第w个曲面的中心线在Y方向的距离。测量运动部件绕X,Y两个方向转角的具体步骤如下：6)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到平面阵列上的第三位置AIII处，此时平面阵列上对应的测量点为A3(x3，y3，z3)，运动部件绕X、Y两个方向的转角为εx、εy，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：6.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A3′(x3′，y3′)；6.2)将步骤6.1)中的光斑中心位置坐标A3′(x3′，y3′)转换为光斑中心距离光轴光轴X方向距离S3x、S3Y；6.3)计算运动部件在位置AIII处的两个转角：εx＝arctan(s3x/f)/2(9)εy＝arctan(s3y/f)/2(10)其中：εx代表运动部件在位置AIII处绕X轴的转角；εy代表运动部件在位置AIII处绕Y轴的转角；f代表成像透镜的焦距；所述组合面型基准件外形设计为“L”型，基准件有两条相互垂直的边，每条边上各有平行于边的等间距4组测量特征面；运动部件位于所述组合面型基准件的上方；机床三个平动轴联动带动所述多参数检测仪器运动，通过组合面型基准件多次摆放，检测出机床的角度误差、垂直度误差和综合三维位移误差，具体步骤如下：1)使所述组合面型基准件按照一条边平行于机床X轴，另一条边平行于机床Z轴的方式摆放，所述多参数检测仪器的检测方向为Y方向，通过两条直线夹角获得垂直度误差Szx；1.1)机床X平动轴带动所述多参数检测仪器沿X轴移动，当多参数检测仪器分别移动到组合面型基准件所述面型阵列中的四个抛物面上方时，使用多参数检测仪器检测多参数检测仪器在标准件坐标系下的位置坐标(XWIi,YWIi,ZWIi)其中i＝1,2,3,4，当多参数检测仪器分别移动到组合面型基准件所述面型阵列中的四个平面上方时，检测滚转误差Rxxi和偏摆误差Rxzi，记录下检测误差点处的机床指令位置(XIi,YIi,ZIi)；1.2)机床Z平动轴带动所述多参数检测仪器沿Z轴移动，当多参数检测仪器分别移动到组合面型基准件所述面型阵列中的四个抛物面上方时，使用多参数检测仪器检测多参数检测仪器在标准件坐标系下的位置坐标(XWIj,YWIj,ZWIj)其中j＝5,6,7,8，当多参数检测仪器分别移动到组合面型基准件所述面型阵列中的四个平面上方时，检测俯偏摆误差Rzxi和滚转误差Rzzi，记录下检测误差点处的机床指令位置(XIj,YIj,ZIj)；2)使所述组合面型基准件按照一条边平行于机床Y轴，另一条边平行于机床Z轴的方式摆放，所述多参数检测仪器的检测方向为X方向，通过两条直线夹角获得垂直度误差Syz；2.1)机床Y平动轴带动所述多参数检测仪器沿Y轴移动，当多参数检测仪器分别移动到组合面型基准件所述面型阵列中的四个抛物面上方时，使用多参数检测仪器检测多参数检测仪器在标准件坐标系下的位置坐标(XWIIi,YWIIi,ZWIIi)，当多参数检测仪器分别移动到组合面型基准件所述面型阵列中的四个平面上方时，检测滚转误差Ryyi和偏摆误差Ryzi，记录下检测误差点处的机床指令位置(XIIi,YIIi,ZIIi)；2.2)机床Z平动轴带动所述多参数检...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杏华，杨晓唤，房丰洲，黄银国，张震楠，黄武，张冬，高凌妤，魏煊，吕泽奎，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12