基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法技术

本发明专利技术公开了基于向量方向测量原理的数控机床平动轴几何误差辨识方法，在机床运动部件上设置不同测量点，并将这些测量点依次相连构成空间向量，利用在机床运动过程中构成空间向量方向的改变仅与机床轴的角位移误差有关，而与线位移误差无关这一特性，利用激光跟踪仪采用多站分时测量原理对机床平动轴运动过程中测量点构成向量方向变化的测量，从而依次辨识出机床平动轴的角位移误差和线位移误差。建立基于空间向量方向测量原理的数控机床平动轴几何误差测量的数学模型，依次推导出了基于精密数控转台测量的激光跟踪仪基站位置自标定算法、测量点确定算法、机床平动轴单项误差分离算法。该方法具有精度高、效率快、成本较低、算法较简单的优点。算法较简单的优点。算法较简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法


[0001]本专利技术属于激光精密测量
，具体涉及基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法。

技术介绍

[0002]随着现代制造技术的不断发展，对高精度数控机床的需求量越来越大。精度是数控机床重要的性能指标，直接影响着工件的加工质量。如何经济地提高机床的加工精度是一个关键问题，国内外学者在这方面开展了广泛而深入的研究。相对机床误差硬件补偿技术，误差测量与补偿作为一种提高机床精度的软技术，具有适用性广，成本低等优点，在机床精度补偿领域得到了广泛的应用。机床加工工件的过程中，存在着多项误差因素，如几何误差、热变形误差、切削力误差、装夹误差等，这些误差共同影响着工件最终的加工精度。在这些误差因素中，几何误差是一个主要误差因素，同时几何误差相对稳定，在机床较长工作时间内具有可重复性，易于测量与补偿。通过对机床几何误差的测量与补偿是目前提高机床加工精度的有效途径之一。
[0003]目前测量机床平动轴几何误差的方法有很多，主要有以下几种：实物基准法、球杆仪测量法、正交光栅测量法，激光干涉测量法等。近年来，激光跟踪仪作为一种新型三维测量仪器应用到机床和三坐标测量机的误差检测上。激光跟踪仪通常采用球坐标的测量方法，对于这种测量模式而言，角度测量误差是引起坐标测量误差的主要来源。假定激光跟踪仪测角误差为1弧度每秒，由此引起的误差约为5μm每米。目前，对机床的检测精度要求越来越高，现有的这种基于球坐标的测量方法已难以满足机床精度的检测要求。为了提高测量精度，同时考虑测量成本，采用了一种多站分时测量方法。该方法采用GPS测量原理，在测量过程中仅涉及距离测量，有效避免了测角误差对测量结果的影响。但该方法也存在一定的不足：1)测量时，要求机床在3D空间内进给，测量轨迹较为复杂。当机床运动轨迹为2D平面和1D直线时，无法实现对机床误差的辨识；2)在基站标定过程中，基站的标定精度会受到机床自身误差的影响，从而在一定程度上限值了该方法测量精度的进一步提高。如何简化测量过程和误差辨识算法和克服基站标定精度受机床自身误差影响的不足，这对于进一步提高多轴机床整体加工精度有着积极的作用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决上述问题，提供一种能够快速、准确辨识出数控机床几何误差的基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法，包括以下步骤：
[0006]S1、将精密数控转台安装在机床主轴附近，并可跟随主轴或者工作台一起平动；猫眼安装在精密数控转台上，并可跟随精密数控转台一起转动；
[0007]S2、将激光跟踪仪分时安装在机床正前方附近，将激光跟踪仪的位置定义为基站
位置；
[0008]S3、控制精密数控转台每转过一定的角度θ，记下当前激光跟踪仪的测距数据，利用激光跟踪仪测量得到的测量点的距离数据，构建基于测量点欧矢距离的最小二乘模型，确定出激光跟踪仪自身仪器坐标系与精密数控转台坐标系间的齐次变换矩阵，从而确定出激光跟踪仪在转台上的各基站初始位置坐标；
[0009]S4、控制机床平动部件按预定的路径在沿机床轴线进给，机床每运动一定距离进行一次测量，安装在机床主轴上的精密转台依次旋转120度，测量点分别命名为A、B、C，激光跟踪仪先后在四个基站位置进行测量；
[0010]S5、利用激光跟踪仪测量得到的测量点与各基站的距离数据，建立非线性冗余方程组，按最小二成原理进行求解，确定出测量点的空间坐标；
[0011]S6、利用步骤S5中得到的平动部件沿轴线运动时的一系列测量点的空间坐标，通过A、B、C三点两两构成的3个向量向量的方向将会在机床运动过程中发生改变，向量方向的改变仅与机床运动中的角位移误差有关，根据角位移误差引起的齐次变换矩阵和测量点构成一系列向量建立方程组，进行求解，即可辨识出各项角位移误差；
[0012]S7、利用步骤S5中得到的平动部件沿轴线运动时的一系列测量点的空间坐标和步骤S6中的到的各项角位移误差，通过取A、B中点为T，B、C中点为R，C、A中点为S，确定一系列新的点，对T、R、S分别建立运动误差方程，构成冗余方程组，带入各项角位移误差求解，即可辨识出各项线位移误差，从而完成完整的数控机床几何误差辨识。
[0013]进一步地，所述步骤S2中，至少选定四个基站位置，且任意三者不共线。
[0014]进一步地，所述步骤S3还包括以下步骤：
[0015]S31、猫眼中心到转台回转中心距离初值的确定；
[0016]S32、激光跟踪仪所在基站位置初值的确定；
[0017]S33、基站标定。
[0018]进一步地，所述步骤S3中当精密数控转台每转过一定的角度θ时，控制转动部件停止运动，并记下当前位置激光跟踪仪的测量结果，然后将激光跟踪仪移动到下一个基站位置，重复上述测量过程，直至在所有基站位置都完成测量。
[0019]进一步地，所述步骤S4中，在每个基站位置至少测量四个不同的猫眼位置，以获取数据冗余，提高测量系统的可靠性和测量精度。
[0020]进一步地，所述步骤S4中，当平动部件运动到各测量点位置时，控制平动部件停止运动；当精密数控转台的转动部件运动到测量位置时，控制转台停止运动。
[0021]进一步地，所述步骤S1中将精密数控转台安装在车铣加工中心主轴附近的合适位置，并跟随机床工作台沿数控机床轴线方向一起平动，控制数控机床平动部件沿预先设定的路径沿机床轴线方向进给，在运动区域内，激光跟踪仪实时对平动部件的运动进行跟踪测量。
[0022]进一步地，所述数控机床平动部件沿机床轴线方向进给时，每运动一定距离分别对三个测量点进行测量。
[0023]本专利技术的有益效果是：本专利技术所提供的基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法，激光跟踪仪先后在多轴机床转台上至少四个基站位置对多轴机床平动部件相同的点跟踪测量，利用测量得到的测量点距离数据，分别确定出精密数控转台上一系列
测量点的空间坐标。通过得到的一系列测量点的空间坐标，先由机床平动件相同位置得到的测量点两两构成空间向量，利用这些向量方向的改变仅与角位移误差有关先辨识出角位移误差；再分别拟合出机床平轴线方向向量，带入角位移误差辨识出线位移误差，从而实现完整的数控机床几何误差辨识。该方法解决了目前利用激光跟踪仪测量数控机床几何误差的难点问题。同时该方法基于GPS原理，在测量过程中，只对距离量进行测量，有效避免了激光跟踪仪测角误差对整体测量精度的影响，从而极大提高了激光跟踪仪现场整体测量精度。利用激光跟踪仪快速测量和精密数控转台高精度的优点，实现数控机床几何误差的高效高精度测量。该方法具有快速、精度高、误差辨识简单等优点，能够数控机床几何误差的快速、准确辨识。为进一步提高数控机床整体加工精度奠定基础。
附图说明
[0024]图1是本专利技术中基站位置、精密数控转台和猫眼相对于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于向量方向测量的数控机床平动轴几何误差辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将精密数控转台安装在机床主轴附近，并可跟随主轴或者工作台一起平动；猫眼安装在精密数控转台上，并可跟随精密数控转台一起转动；S2、将激光跟踪仪分时安装在机床正前方附近，将激光跟踪仪的位置定义为基站位置；S3、控制精密数控转台每转过一定的角度θ，记下当前激光跟踪仪的测距数据，利用激光跟踪仪测量得到的测量点的距离数据，构建基于测量点欧矢距离的最小二乘模型，确定出激光跟踪仪自身仪器坐标系与精密数控转台坐标系间的齐次变换矩阵，从而确定出激光跟踪仪在转台上的各基站初始位置坐标；S4、控制机床平动部件按预定的路径在沿机床轴线进给，机床每运动一定距离进行一次测量，安装在机床主轴上的精密转台依次旋转120度，测量点分别命名为A、B、C，激光跟踪仪先后在四个基站位置进行测量；S5、利用激光跟踪仪测量得到的测量点与各基站的距离数据，建立非线性冗余方程组，按最小二成原理进行求解，确定出测量点的空间坐标；S6、利用步骤S5中得到的平动部件沿轴线运动时的一系列测量点的空间坐标，通过A、B、C三点两两构成的3个向量向量的方向将会在机床运动过程中发生改变，向量方向的改变仅与机床运动中的角位移误差有关，根据角位移误差引起的齐次变换矩阵和测量点构成一系列向量建立方程组，进行求解，即可辨识出各项角位移误差；S7、利用步骤S5中得到的平动部件沿轴线运动时的一系列测量点的空间坐标和步骤S6中的到的各项角位移误差，通过取A、B中点为T，B、C中点为R，C、A中点为S，确定一系列新的点，对T、R、S分别建立运动误差方程，构成冗余方程组，带入各项角位移误差求解，即可辨识出各项线位移误差，从而完成完整的数控机床几何误差辨识。2.根据权利要求1所述的基于向量方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金栋，唐雷雨，郭浩然，赖洋，谢宇鸿，闫府，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：