五轴机床在机测量的高精度比对测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种五轴机床在机测量的高精度比对测量方法及系统，包括：获取工件的表面点位数据，并将获得表面点位数据的工件作为标准件；将标准件和待测试工件对称夹在机床的旋转台上，确保在旋转

【技术实现步骤摘要】
五轴机床在机测量的高精度比对测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及机床在机测量
，具体地，涉及一种五轴机床在机测量的高精度比对测量方法及系统
。

技术介绍

[0002]通过安装触发式测头进行在机测量
(OMM)
，已经大大提高了生产效率和精度
。
在原位测量零件可以避免重新夹具定位误差，同时也提供了精密加工过程所需的及时反馈
。
因此，与离线测量相比，这是一种更有望缩短生产周期和提高产品质量的方法
。
然而，伴随而来的是确保机上测量结果准确性的新挑战
。
机床的几何误差和热误差是机上测量精度受到重大影响的主要误差源
。
通常情况下，测量精度要比加工精度高一个数量级，这严重制约了在机测量的能力和可信度
。
[0003]为了以较低成本实现车间内的精确过程控制，已经提出了多种方法和测量工具来解决这些误差
。
误差的辨识和补偿是解决这些误差的常见手段，机床相关的几何误差和热误差主要通过
R
测试设备
、
球杆仪
、
光学测量设备等进行测量
。
此外，在实际加工过程中进行机械加工测量也是一种方法，通过千分表或坐标测量机等设备对正在加工的工件进行测量，从而能够定量评估机床误差对工件几何形状的影响
。
测量系统的误差也会对测量结果产生显著影响，其中触发探头的预行程误差和半径误差是重要部分
。
目前，标准球标定方法广泛应用以解决这些误差
。
此外，动态误差
、
随机误差和机床的重复性也是影响在机测量质量的因素
。
然而，这些方法中的大多数通常只能解决一种误差，难以综合考虑多种误差
。
[0004]经过对现有技术的文献检索发现，公开号为
CN115979170A
的专利技术专利，公开了一种直齿面齿轮参数在机测量与误差补偿方法，该方法结合最优方案的螺旋型测量路径，可以得到测量时的测头延时误差
、
测头测量误差以及测量坐标误差，并基于测量原理建立测头误差模型
。
最后，通过标定过程，得到总体误差，从而获得补偿后的精确测量点坐标
。
然而，该方法主要关注测头误差，补偿方法不够全面，且仅适用于直齿面齿轮参数，缺乏通用性
。
公开号为
CN107220213A
的专利技术专利，公开了一种五轴数控机床在线测量分析方法，该方法对五轴数控机床的误差源进行了详细分析，消除了误差因素并推导出相关的具体模型
。
此方法通过误差的消除和模型构建，然后使用校正方法进行误差校正，从而提高了测量准确性，但效率较低
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种五轴机床在机测量的高精度比对测量方法及系统
。
[0006]根据本专利技术提供的一种五轴机床在机测量的高精度比对测量方法及系统，所述方案如下：
[0007]第一方面，提供了一种五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，所述方法包括：
[0008]步骤
S1
：利用坐标测量机
(CMM)
获取工件的表面点位数据，并将获得表面点位数据
的工件作为标准件；
[0009]步骤
S2
：将所述标准件和待测试工件对称夹在机床的旋转台上，确保在旋转
180
°
后，所述标准件的位置与测试工件的位置相同；
[0010]步骤
S3
：按照设定的测量路径，测量所述测试工件表面；
[0011]步骤
S4
：将机床的
C
轴旋转
180
°
，使标准件的位置与测试工件的位置相同，然后使用与步骤
S3
相同的测量路径测量测试工件表面；
[0012]步骤
S5
：使用坐标测量机获得的标准件表面点位数据和步骤
S4
中获得的标准件在机测量点位数据来校准所述标准件表面，以消除其表面的加工误差；
[0013]步骤
S6
：计算测试工件与校准标准件之间的误差，得到的表面误差即为消除在机测量系统误差后的精确测量结果
。
[0014]优选地，所述步骤
S1
包括：通过三坐标测量机测量标准件的点位数据，测量过程必须与后续的在机测量过程保持一致，即测量的测点分布一致
。
[0015]优选地，所述步骤
S2
中，确保两次测量的测量误差相同，需使标准件和待测试工件两个工件中心对称地装夹，即使
C
轴旋转
180
°
后，标准件的位置必须与旋转前的测试工件位置相同，保证两次测量的路径相同；
[0016]识别并消除工件旋转
180
°
的过程本身引入
C
轴旋转轴的几何误差：
[0017]C
轴的几何误差包括3个角度误差和3个位移误差，代表参考坐标系与实际坐标系之间的偏差记为
GE
c
＝
[
ε
x ε
y ε
z δ
x δ
y δ
z
]T
，根据活动标架原理，将几何误差堪称活动标架在静止标架原点处分别绕
X
轴
、Y
轴
、Z
轴旋转角度
ε
x
、
ε
y
、
ε
z
，在
X、Y、Z
方向上平移
δ
x
、
δ
y
、
δ
z
，表达为：
[0018][0019]根据齐次变换矩阵
HTM
的方法，考虑几何误差的
C
轴运动学变换模型，则一点的位置通过以下方式计算得出：
[0020][0021]并计算出该点若不包含几何误差的理想位置
P
ideal,1
'
：
[0022]P'
ideal,1
＝
R(C)R'(C)
‑1P'1[0023]最终，通过上述公式对测量的点位数据进行反算，便能够将
C
轴误差成功消除；
[0024]其中，
C
表示
C
轴两次测量之间的角度变化；
P1表示旋转前的理想位置；
P'1表示
OMM
系统测量点；
R
表示不包含几何误差的旋转矩阵
。
[0025]优选地，所述步骤
S3
中进行工件测量时，机床需充分预热...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，包括：步骤
S1
：利用坐标测量机获取工件的表面点位数据，并将获得表面点位数据的工件作为标准件；步骤
S2
：将所述标准件和待测试工件对称夹在机床的旋转台上，确保在旋转
180
°
后，所述标准件的位置与测试工件的位置相同；步骤
S3
：按照设定的测量路径，测量所述测试工件表面；步骤
S4
：将机床的
C
轴旋转
180
°
，使标准件的位置与测试工件的位置相同，然后使用与步骤
S3
相同的测量路径测量测试工件表面；步骤
S5
：使用坐标测量机获得的标准件表面点位数据和步骤
S4
中获得的标准件在机测量点位数据来校准所述标准件表面，以消除其表面的加工误差；步骤
S6
：计算测试工件与校准标准件之间的误差，得到的表面误差即为消除在机测量系统误差后的精确测量结果
。2.
根据权利要求1所述的五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，所述步骤
S1
包括：通过三坐标测量机测量标准件的点位数据，测量过程必须与后续的在机测量过程保持一致，即测量的测点分布一致
。3.
根据权利要求1所述的五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，确保两次测量的测量误差相同，需使标准件和待测试工件两个工件中心对称地装夹，即使
C
轴旋转
180
°
后，标准件的位置必须与旋转前的测试工件位置相同，保证两次测量的路径相同；识别并消除工件旋转
180
°
的过程本身引入
C
轴旋转轴的几何误差：
C
轴的几何误差包括3个角度误差和3个位移误差，代表参考坐标系与实际坐标系之间的偏差记为
GE
c
＝
[
ε
x ε
y ε
z δ
x δ
y δ
z
]
T
，根据活动标架原理，将几何误差堪称活动标架在静止标架原点处分别绕
X
轴
、Y
轴
、Z
轴旋转角度
ε
x
、
ε
y
、
ε
z
，在
X、Y、Z
方向上平移
δ
x
、
δ
y
、
δ
z
，表达为：根据齐次变换矩阵
HTM
的方法，考虑几何误差的
C
轴运动学变换模型，则任意一点的位置通过以下方式计算得出：并计算出该点若不包含几何误差的理想位置
P
ideal,1
'
的理想位置：
P'
ideal,1
＝
R(C)R'(C)
‑1P'1最终，通过上述公式对测量的点位数据进行反算，便能够将
C
轴误差成功消除；其中，
C
表示
C
轴两次测量之间的角度变化；
P1表示旋转前的理想位置；
P'1表示
OMM
系统测量点；
R
表示不包含几何误差的旋转矩阵
。
4.
根据权利要求1所述的五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，所述步骤
S3
中进行工件测量时，机床需充分预热
。5.
根据权利要求1所述的五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，采用测试块来测量旋转轴的几何误差，对几何误差的测量直接在工件上进行，选择工件上的角点作为参考点，通过测量不同表面作为测量参考，通过三个表面的交点来获取所需的测量点，为减小随机误差，每个表面测量六个点，采用均匀布局的方式，最后，使用最小二乘法拟合平面，以获得精确的测量结果
。6.
根据权利要求1所述的五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，所述步骤
S5
中通过使用点到曲面函数来评估加工误差，使用离散的检测点来代替实际表面，并进行曲面重建，通常采用
B
‑
样条曲面拟合方法来进行曲面重建；
B
样条曲面由
u
方向的
p
度和
v
方向的
q
度定义：其中，
P(u,v)
是由
u
和
v
确定的曲面上的点，
C
i,j
表示控制点，
n
和
m
分别表示
u
和
v
方向上的控制点个数，
N
i,p
(u)
和
N
j,q
(v)
是非有理
B
样条基函数；用公式重建标准件曲面，根据以下公式计算由
OMM
系统得到的测试件测量点与该曲面的误差，即其中，
i
表示测量点的数量；
e
i
是不包含
OMM
系统测量误差的试件的加工误差；
d
e,i
表示
OMM
系统的测量点到校准后标准件曲面的距离；
p
ot,i
表示
OMM
系统的测量点；
q
e,i
表示
OMM
系统的测量点映射到校准后标准件曲面上的对应点；表示相应的方向矢量
。7.
根据权利要求6所述的五轴机床在机测量的高精度比对测量方法，其特征在于，所述步骤
S5
校准标准件包括：将坐标测量机测量点
P
c
{p
c,i
}(i
＝
1,2,
…
)
用
B
‑
样条曲面拟合方法重建曲面，得到坐标测量机曲面，标记为
S
c
(u,v)
，将其视为仅包含加工误差的标准件表面，误差及其坐标分量通过下式计算：式中：
p
i
表示标准件的
OMM
测量点；
q
i
表示标准件的
OMM
测量点映射到标准件
CMM
测量点上的，位于表面法线上；表示相应的方向矢量；
δ
x,i
，
δ
y,i
，
δ
z,i
分别是
x
，
y
，
z
方向的分量；
d
p,i
表示不包含加工误差的系统误差；将不包含任何加工误差的误差叠加到设计面上，设计面标记为
S
d
(u,v)
，确定与设计表面的距离并找到对应点，利用公式确定对应点：其中，
q'
i
表示位于曲面法线上的对应点；表示
CMM
面上的点
q
i
到设计曲面的距离；表示对应的方向矢量；将误差叠加于点
q'
i
：
用坐标分量表示为：其中，
q
r,i
表示校准后的标准件曲面上点的坐标；
q
x,r,i
表示校准后的标准件曲面上点的
x
坐标值；
q
y,r,i
表示校准后的标准件曲面上点的
y
坐标值；
q
z,r,i
表示校准后的标准件曲面上点的
z
坐标值；
q'
x,i
表示理论曲面上的对应点
x
坐标值；
q'
y,i
表示理论曲面上的对应点
y
坐标值；
q'
z,i
表示理论曲面上的对应点
z
坐标值；
δ
x,i
表示不包含任何加工误差的测量误差在
x
方向上的分量；
δ
y,i
表示不包含任何加工误差的测量误差在
y
方向上的分量；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄诺帝，陈旭，张杨，杜正春，朱利民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：