一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法及系统，建立测量坐标系，实时跟踪五轴数控机床上移动的反射镜，获得机床测点与基站的距离及各测点之间的距离；根据距离标定激光追踪干涉仪基站位置和机床测量点在测量坐标系下的三维坐标值，确定测量坐标系，并与机床坐标系进行齐次坐标变换，得出两坐标系之间的齐次变换矩阵；将测量坐标系下测点的三维坐标转换成机床坐标系下的三维坐标；求解机床坐标系下机床旋转轴几何误差引起的测点空间误差，确定旋转轴位置相关几何误差的辨识模型，利用辨识模型实现五轴数控机床摆头几何误差辨识。本发明专利技术降低了随机误差对测量精度的影响，提高了测量效率和测量精度。提高了测量效率和测量精度。提高了测量效率和测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法及系统


[0001]本专利技术属于
，具体涉及一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法及系统。

技术介绍

[0002]精密与超精密加工制造技术对于具有超高精度旋转轴的高档多轴数控机床需求越来越大，特别是在惯性约束核聚变、对地观测、激光雷达、EUV光刻等的大口径光学自由曲面元件制造领域。旋转轴几何精度直接影响到被加工大型光学镜片的轴线位置、面形精度、表面粗糙度等关键光学性能指标，此外离轴加工大口径光学元件对数控机床旋转轴的几何精度和性能要求更为苛刻。
[0003]目前常用的回转轴几何误差测量方法主要有激光干涉仪和球杆仪测量方法。激光干涉仪大多用于测量转台的定位误差，并且测量过程中调整光路困难，极依赖操作者的水平，测量效率较低；球杆仪方法需要进行多次安装才能实现几何误差的分离，并且测试过程需要调整偏心，调整费时且测试范围较小，测量精度较低。传统测量方法受安装位置限制，无法对任意类型机床的旋转轴几何误差进行测量辨(如带AB摆动轴的五轴数控机床)。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法及系统，用于解决五轴机床测旋转轴测量效率低且测量精度低及测量仪器安装受限于机床工作空间的技术问题。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，包括以下步骤：
[0007]S1、利用激光追踪干涉仪基站位置建立测量坐标系(/>L
X,
L
Y,
L
Z)，使用激光追踪干涉仪实时跟踪五轴数控机床上移动的反射镜，获得机床测点与基站的距离及各测点之间的距离；
[0008]S2、根据步骤S1得到的距离标定激光追踪干涉仪基站位置和机床测量点在测量坐标系下的三维坐标值，确定测量坐标系，并与机床坐标系进行齐次坐标变换，得出两坐标系之间的齐次变换矩阵
[0009]S3、利用步骤S2得到的齐次变换矩阵将测量坐标系(
L
X,
L
Y,
L
Z)下测点的三维坐标转换成机床坐标系下的三维坐标；
[0010]S4、求解步骤S3得到的机床坐标系下机床旋转轴几何误差引起的测点空间误差，确定旋转轴位置相关几何误差的辨识模型，利用辨识模型实现五轴数控机床摆头几何误差辨识。
[0011]具体的，步骤S1具体为：
[0012]S101、将激光追踪干涉仪放置在五轴数控机床工作台上，反射镜安装在刀具坐标
系T
‑
CS中t
j
的位置，j表示反射镜第j个初始安装位置j＝1,
……
,J，移动五轴数控机床的三个直线轴，使激光追踪干涉仪分别位于机床工作空间的LT
i
位置，i表示第i个基站位置i＝1,
……
,I，激光追踪干涉仪调整自身的偏摆角和俯仰角并实时跟踪移动的反射镜；
[0013]S102、B轴转动角度b
k
，k表示第k个测点k＝1,
……
,K，激光追踪干涉仪测量并记录相对距离变化量L
ijk
；
[0014]S103、激光追踪干涉仪移动至下一个位置LT
i+1
，重复步骤S102的过程，直至预设的激光追踪干涉仪基站位置全部测量完毕；
[0015]S104、将反射镜安装至下一个初始位置t
j+1
，激光追踪干涉仪重新瞄准并锁定反射镜，重复步骤S102和S103，直至所有实验安排的机床空间测点测量完毕。
[0016]具体的，步骤S2中，根据最小二乘原理并利用测量残差u
ijk
及刚体运动约束条件残差r
q
，通过残差平方和最小的条件，求解最小二乘问题；利用列文伯格
‑
马夸尔特非线性最小二乘方法计算最优解确定激光追踪干涉仪基站的空间位置坐标、测点的实际空间三维坐标和死区长度。
[0017]进一步的，求解最小二乘函数具体为：
[0018][0019]其中，K为旋转轴旋转过程中的测量点个数，V为未知向量，F为最小二乘函数，Q为残差方程个数。
[0020]具体的，步骤S3中，齐次变换矩阵具体为：
[0021][0022]其中，I3×3为三阶单位矩阵，
M
[LT
i
]为机床坐标系下基站位置的理论坐标值，
L
[LT
i,a
]为测量坐标系下基站实际位置。
[0023]具体的，步骤S4具体为：
[0024]确定旋转轴坐标系到五轴数控机床坐标系的转换矩阵，建立测点坐标与反射镜安装位置的关系式；在设置旋转轴初始位置几何误差为0的条件求解得到B轴坐标系下反射镜的实际初始安装位置
B
[t
j,a
]；求解五轴数控机床坐标系下旋转轴几何误差引起的测点几何误差，确定旋转轴位置相关几何误差的辨识模型。
[0025]进一步的，测点坐标与反射镜安装位置的关系式具体为：
[0026][0027]其中，
M
[P
jk,n
]为理想情况下，测点在五轴数控机床坐标系下的坐标；为理想情况下，从B轴坐标系到五轴数控机床坐标系的变换矩阵；
B
[t
j,a
]为B轴坐标系下，反射镜的实际初始安装位置。
[0028]进一步的，求解五轴数控机床坐标系下旋转轴几何误差引起的测点几何误差具体
为：
[0029][0030]其中，
M
[ΔP
jk,GE
]为机床坐标系下，由B轴几何误差导致的测点空间位置偏差；
M
[P
jk,a
]为机床坐标系下，测点的实际空间三维坐标；
M
[P
jk,n
]为理想情况下，测点在五轴数控机床坐标系下的坐标；为理想情况下，从B轴坐标系到五轴数控机床坐标系的变换矩阵；
B
[t
j,a
]为B轴坐标系下，反射镜的实际安装位置坐标。
[0031]进一步的，旋转轴位置相关几何误差的辨识模型具体为：
[0032][0033]其中，
M
[ΔP
jk,PDGE
]为机床坐标系下，测量过程中机床产生的位置相关几何误差矩阵，B
jk,PDGE
为与反射镜初始安装位置和B轴转动角度相关的系数矩阵，E
AB
(b
k
)为在旋转轴转动到第k个位置时，B轴绕X轴的转角误差，E
BB
(b
k
)为在旋转轴转动到第k个位置时，B轴的定位误差，E
CB
(b
k
)为在旋转轴转动到第k个位置时，B轴绕Z轴的转角误差，E
XB...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用激光追踪干涉仪基站位置建立测量坐标系(
L
X,
L
Y,
L
Z)，使用激光追踪干涉仪实时跟踪五轴数控机床上移动的反射镜，获得机床测点与基站的距离及各测点之间的距离；S2、根据步骤S1得到的距离标定激光追踪干涉仪基站位置和机床测量点在测量坐标系下的三维坐标值，确定测量坐标系，并与机床坐标系进行齐次坐标变换，得出两坐标系之间的齐次变换矩阵S3、利用步骤S2得到的齐次变换矩阵将测量坐标系(
L
X,
L
Y,
L
Z)下测点的三维坐标转换成机床坐标系下的三维坐标；S4、求解步骤S3得到的机床坐标系下机床旋转轴几何误差引起的测点空间误差，确定旋转轴位置相关几何误差的辨识模型，利用辨识模型实现五轴数控机床摆头几何误差辨识。2.根据权利要求1所述的五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，其特征在于，步骤S1具体为：S101、将激光追踪干涉仪放置在五轴数控机床工作台上，反射镜安装在刀具坐标系T
‑
CS中t
j
的位置，j表示反射镜第j个初始安装位置j＝1,
……
,J，移动五轴数控机床的三个直线轴，使激光追踪干涉仪分别位于机床工作空间的LT
i
位置，i表示第i个基站位置i＝1,
……
,I，激光追踪干涉仪调整自身的偏摆角和俯仰角并实时跟踪移动的反射镜；S102、B轴转动角度b
k
，k表示第k个测点k＝1,
……
,K，激光追踪干涉仪测量并记录相对距离变化量L
ijk
；S103、激光追踪干涉仪移动至下一个位置LT
i+1
，重复步骤S102的过程，直至预设的激光追踪干涉仪基站位置全部测量完毕；S104、将反射镜安装至下一个初始位置t
j+1
，激光追踪干涉仪重新瞄准并锁定反射镜，重复步骤S102和S103，直至所有实验安排的机床空间测点测量完毕。3.根据权利要求1所述的五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，其特征在于，步骤S2中，根据最小二乘原理并利用测量残差u
ijk
及刚体运动约束条件残差r
q
，通过残差平方和最小的条件，求解最小二乘问题；利用列文伯格
‑
马夸尔特非线性最小二乘方法计算最优解确定激光追踪干涉仪基站的空间位置坐标、测点的实际空间三维坐标和死区长度。4.根据权利要求3所述的五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，其特征在于，求解最小二乘函数具体为：其中，K为旋转轴旋转过程中的测量点个数，V为未知向量，F为最小二乘函数，Q为残差方程个数。5.根据权利要求1所述的五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，其特征在于，步骤S3中，齐次变换矩阵具体为：
其中，I3×3为三阶单位矩阵，
M
[LT
i
]为机床坐标系下基站位置的理论坐标值，
L
[LT
i,a
]为测量坐标系下基站实际位置。6.根据权利要求1所述的五轴数控机床摆头几何误差辨识方法，其特征在于，步骤S4具体为：确定旋转轴坐标系到五轴数控机床坐标系的转换矩阵，建立测点坐标与反射镜安装位置的关系式；在设置旋转轴初始位置几何误差为0的条件求解得到B轴坐标系下反射镜的实际初始安装位置
B
[t
j,a...

【专利技术属性】
技术研发人员：查俊，彭肖飞，
申请(专利权)人：西安交通大学西安交通大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：