【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三轴加工中心误差辨识，特别涉及考虑位置相关几何误差去除的圆检验垂直度误差测量方法。
技术介绍
1、由于三轴加工中心结构和加工条件的复杂性，三轴加工中心加工会受到各种误差的影响，其中几何误差是主要的误差源之一。几何误差可分为位置相关几何误差和位置无关几何误差，其中位置无关几何误差用于描述轴平均线在位置和方向的变化；而位置相关几何误差为三轴加工中心部件沿名义轨迹运动时六自由度方向的直线误差运动及角度误差运动。几何误差的精确测量将有利于三轴加工中心精度的提升。
2、对于iso230-4描述的x轴及y轴联动测量，该方法需要假设垂直度误差为xy平面上的唯一误差，通过实际的圆检验轨迹测量垂直度误差。例如，当x轴及y轴不垂直且两轴夹角大于90°时，实际轨迹变成了长短轴方向分别为±45°的椭圆，据此实现垂直度误差的测量。但是，除垂直度误差外，位置相关几何误差也会导致实际测量轨迹的长度发生变化，进而影响垂直度误差的分析结果。因此，基于圆检验得到的垂直度误差难以真实反映两直线轴间垂直度误差，从而导致三轴加工中心空间误差难以预测。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种考虑位置相关几何误差去除的圆检验垂直度误差测量方法，该方法通过球杆仪与多光束激光干涉仪精准测量三轴加工中心直线轴间的垂直度误差。与现有方法相比，所提出方法分析了圆检验过程中位置相关几何误差及垂直度误差的误差耦合影响，有效去除了位置相关几何误差对于圆检验轨迹的影响，从而通过圆检验结果真实反映两直线轴间的垂直
2、所提出考虑位置相关几何误差去除的圆检验垂直度误差测量方法，包括如下步骤：
3、步骤1、构建三轴加工中心的三轴加工中心几何误差模型，包括步骤：
4、步骤1.1、基于对偶四元数构建三轴加工中心的运动学模型：
5、；
6、其中与分别表示理想情况下刀具及工件坐标系相对于机床坐标系的位置。表示三轴加工中心 n轴的对偶四元数形式，表示的共轭：
7、；
8、其中为表示旋转的四元数，为表示平移的四元数且。为对偶符号且。表示三轴加工中心 n轴的位移，分别表示三轴加工中心 n轴沿x、y、z方向上的平移距离。
9、表示刀具相对于机床坐标系的初始位置，则表示工件相对于机床坐标系的初始位置：
10、；
11、其中分别表示刀具相对于机床坐标系在x、y、z方向的初始位置；分别表示工件相对于机床坐标系在x、y、z方向的初始位置。
12、步骤1.2、三轴加工中心的圆检验需在xy，xz及yz平面进行。测量过程中将x轴定义为参考轴，则y轴存在垂直度误差，z轴存在垂直度误差及；此外，每个直线轴存在6项位置相关几何误差；基于对偶四元数构建三轴加工中心几何误差模型，其中上标 e表示几何误差影响：
13、；
14、其中表示机床坐标系相对于工件坐标系的位置，其表示的逆运动。表示误差影响下刀具相对于工件坐标系的位置。表示机床坐标系相对于实际x轴的位置，其表示的逆运动，而表示的共轭。表示几何误差影响下三轴加工中心 n轴的实际运动，则表示的共轭：
15、；
16、其中、及分别表示几何误差影响下刀具相对于工件坐标系x，y及z方向的实际位置；、及分别表示垂直度误差、及，垂直度误差为负值则表示两直线轴夹角小于90°，其为正值则表示夹角大于90°；为直线轴位置相关几何误差的对偶四元数形式，每个直线轴有三个位置误差及三个转角误差：
17、；
18、其中为平移距离，则表示三轴加工中心 k轴沿 j向平移；为旋转角度，表示三轴加工中心 k轴绕 j向旋转；且。
19、步骤2、基于球杆仪进行三轴加工中心圆检验，其中xy平面进行360°圆检验，xz及yz平面进行220°圆检验。通过精密球磁性吸附确立机床坐标系，其原点位于基座中心，与工件坐标系重合；通过圆检验得到球杆仪杆长变化量，这一杆长变化是由两直线轴位置相关几何误差及轴间垂直度误差导致的。
20、步骤3、利用多光束激光干涉仪分别测量三轴加工中心三个直线轴的位置相关几何误差，将测量得到的误差值拟合为关于x、y及z轴位置的多项式、及：
21、；
22、其中，及分别表示关于x、y及z轴位置的第 m阶单项式的系数， x， y及 z则分别为x轴、y轴及z轴的坐标值。
23、步骤4、基于三轴加工中心几何误差模型分别构建xy、xz和yz圆检验误差模型，将位置相关几何误差拟合的多项式代入圆检验误差模型，在球杆仪杆长数据中去除位置相关几何误差导致的杆长变化量，去除安装误差后计算椭圆长轴与半径投影夹角，得到垂直度误差，包括步骤：
24、步骤4.1、对于两直线轴的圆检验，在三轴加工中心几何误差模型的基础上，将参与运动的两直线轴外的第三个直线轴的运动学参数、位置相关几何误差及垂直度误差项设置为0，这是由于第三个直线轴并未参与运动。因此两直线轴圆检验模型仅包含两直线轴位置无关几何误差及两直线轴间垂直度误差。
25、步骤4.2、基于球杆仪采集数据个数计算每个杆长数据对应的直线轴坐标。对于xy平面的360°圆检验，第个杆长数据对应的x轴坐标及y轴坐标，以及刀具及工件相对于机床坐标系的初始位置分别为：
26、；
27、其中为球杆仪标准杆长，为球杆仪杆长变化量。对于xz平面220°圆检验，球杆仪采集杆长数据个数为，则第个杆长数据对应的x轴坐标及z轴坐标，以及刀具及工件相对于机床坐标系的初始位置分别为：
28、；
29、对于yz平面220°圆检验，球杆仪采集杆长数据个数为，则第个杆长数据对应的y轴坐标及z轴坐标，以及刀具及工件相对于机床坐标系的初始位置分别为：
30、；
31、步骤4.3、构建误差模型，代入位置相关几何误差拟合的多项式且轴间垂直度误差设置为0，则得到位置相关几何误差影响下的球杆仪变化量为
32、；
33、其中为球杆仪标准杆长，、及分别表示位置相关几何误差影响下刀具相对于工件坐标系x，y及z方向的实际位置。
34、步骤4.4、在球杆仪杆长数据中去除位置相关几何误差导致的杆长变化量。通过最小二乘圆拟合方法计算球杆仪轨迹的实际圆心，计算其安装误差。通过误差建模计算工件坐标系的实际位置，进而去除安装误本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.考虑位置相关几何误差去除的圆检验垂直度误差测量方法，其特征在于：利用多光束激光干涉仪分别测量三轴加工中心三个直线轴的位置相关几何误差，将误差项拟合为多项式并代入相应圆检验的误差模型，得到位置相关几何误差影响下的球杆仪变化量，并在球杆仪记录数据中去除；利用最小二乘圆拟合方法计算安装误差，去除安装误差后通过计算椭圆轨迹的长轴与半径投影夹角获得直线轴间的真实垂直度误差；具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑位置相关几何误差去除的圆检验垂直度误差测量方法，其特征在于，所述步骤4中，基于三轴加工中心几何误差模型分别构建XY、XZ和YZ圆检验误差模型，将对应位置的所述多项式代入对应的圆检验误差模型，在球杆仪杆长数据中去除位置相关几何误差导致的杆长变化量，去除安装误差后计算椭圆长轴与半径投影夹角，得到垂直度误差，包括步骤：
【技术特征摘要】
1.考虑位置相关几何误差去除的圆检验垂直度误差测量方法，其特征在于：利用多光束激光干涉仪分别测量三轴加工中心三个直线轴的位置相关几何误差，将误差项拟合为多项式并代入相应圆检验的误差模型，得到位置相关几何误差影响下的球杆仪变化量，并在球杆仪记录数据中去除；利用最小二乘圆拟合方法计算安装误差，去除安装误差后通过计算椭圆轨迹的长轴与半径投影夹角获得直线轴间的真实垂直度误差；具...
【专利技术属性】
技术研发人员：张大卫，姚思涵，高卫国，田文杰，朱晓峰，戴玉红，邢俊岩，李曦冉，李珂，姜二彪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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