三轴数控装备的几何运动误差的检测方法技术

一种机械检测技术领域的三轴数控装备的几何运动误差的检测方法，利用平面光栅既可以测量三轴数控装备的直线运动误差，又可以测量圆运动误差的特点，首先分离出Ｘ导轨、Ｙ导轨和Ｚ导轨的直线度误差、位置误差和三根导轨之间的垂直度误差共１２项误差分量，然后再分离三根导轨的９项转角误差分量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种机械检测
的方法，具体是一种三轴数控装备的几何 运动误差的检测方法。
技术介绍
三轴数控装备(包括三轴数控加工中心、三坐标测量机等)的几何运动精度是评 价其性能的一项重要指标，它直接影响工件的加工(或者检测)精度、使用寿命和生产成 本。提高三轴数控装备的几何运动精度是机械制造业的发展要求，而运动精度的高低是用 运动误差的大小度量的，因此，运动误差的测量是数控装备制造维修中的关键技术。设备制 造商可用机床或者坐标测量机的几何精度检测结果确定提高机床或者坐标测量机的精度 设计是否有效。通过测量可以帮助他们优化影响数控装备精度的控制环工作参数。数控装 备用户可用测量系统进行数控装备验收测试和数控装备周期测定。三轴数控装备误差通常包括三类误差几何运动误差、热误差以及切削力误差，其 中几何误差为机床误差的主要部分。通常三轴数控装备的几何运动误差含有21项误差分 量。三轴数控装备各项误差的建模与辨识是三轴数控装备误差检测的关键环节，模型的形 式和辨识准确性直接影响误差检测的精确程度。机床常规检测和验收测试基本上只限于机 床无负载时的几何结构，对三轴数控装备只限于测量位置处的精度。对于三轴数控装备而 言，如何设计合适的测量方案，并从各项测量位置处所检误差中反求、辨识出三轴数控装备 的上述21项单项误差分量，是三轴数控装备几何运动误差检测及误差溯源的关键所在。经对现有技术的文献检索发现，中国申请号=01136635. 4，申请公告号 CN1346964记载了一种“用于空间全位置和姿态的测量方法及其装置”，该技术公开了一种 利用专用大尺寸球杆仪测量空间运动刚体(即运动坐标系)上的三个固定点相对于某固定 坐标系中的三个定点的距离，得到两者之间3X3共9个中心距的长度数值；再从该球杆仪 上的数显表或与该球杆仪相连接的计算机上读出上述9个中心距的长度数值，根据该9个 长度参数列出9个非线性方程组，并采用詹重禧法解析该9个非线性方程组，即可求得上述 待量测的物体的空间位置和姿态。但是该技术存在以下不足由于钢球和磁性凹座之间的 摩擦造成在进给速度高于lOm/min时所测机床运动精度不稳定；仅能沿圆形插补半径方向 进行测量；由于伸缩杆自重产生变形等原因，其综合测量精度难以达到微米级；采用最小 二乘法来辨识各误差分量，但由于矩阵非满秩，使得解不唯一。又经检索发现，中国申请号200710049397. 3，申请公告号CN101096073记载了一种“用激光干涉法测量三轴数控装备圆轨迹的方法”，该技术公开了一种利用激光干涉法 测量三轴数控装备圆轨迹，从而进行三轴数控装备的精度检测的方法。该方法的测量原理 是位于三轴数控装备工作台上的直角坐标机构将三轴数控装备工作台与主轴的相对圆运 动分解为X、Y两个方向的分量，用激光干涉仪测量出这两个分量值或它们的差值，根据测 量值计算出圆运动的实际轨迹。但是该技术存在的问题是安装及对光过程麻烦，对测量精 度有影响；激光强度易受周围环境影响；测量周期长，测量效率低；同样存在采用最小二乘法来辨识各误差分量，但由于矩阵非满秩，使得解不唯一的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种三轴数控装备的几何运动误差的 检测方法，利用平面光栅既可以测量三轴数控装备的直线运动误差，又可以测量圆运动误 差的特点，首先分离出X导轨、Y导轨和Z导轨的直线度误差、位置误差和三根导轨之间的 垂直度误差共12项误差分量，然后再分离三根导轨的9项转角误差分量。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括以下步骤第一步，以工作平台水平左右滑动的方向为y轴、水平垂直y轴的前后方向为X 轴、以工作台台面中心为原点，竖直垂直χ轴和y轴的方向为ζ轴，根据右手定则来建立XYZ 直角坐标系，利用平面正交光栅测量系统对三轴数控设备进行测量处理，分别得到三轴数 控装备XOY平面、YOZ平面和XOZ平面的直线轨迹运动误差数据SxY(X)和sXY(y)、sYZ(y)和 Syz(Z)、sYZ(y)和Sxz(Z)，以及绕XOY平面、YOZ平面和绕XOZ平面内原点的圆轨迹运动误差数据 Ex0Y Λ Ey0z Λ Εχ0ΖΟ其中SxY(X)和sXY(y)分别指XOY平面内沿着X方向和Y方向的直线轨迹运动误 差数据；sYZ(y)和Syz(Z)分别指YOZ平面内沿着Y方向和Z方向的直线轨迹运动误差数据； Sxz(X)和Sxz(Z)分别指XOZ平面内沿着X方向和Z方向的直线轨迹运动误差数据；Exot、Etoz、 Exoz分别指XOY平面、YOZ平面、XOZ平面内以一定半径R作平面圆轨迹运动时所得实际圆 轨迹点坐标和理论圆轨迹点坐标之间的径向误差坐标矢量数据。所述的平面正交光栅测量系统，包括平面检测光栅读数头、IK220数据采集卡、 数据处理模块、Φ20的刀柄、固定装置和三轴数控装备，其中平面检测光栅读数头和 IK220数据采集卡相连传输测量数据，IK220数据采集卡与数据处理模块相连传输测量数 据以实现测量数据辨识和显示，平面检测光栅读数头安装在刀柄以便于固定在三轴数控装 备，平面检测光栅码盘固定在固定装置上。所述的测量处理，包括以下步骤1)将平面检测光栅码盘设置在三轴数控装备的工作平台的XOY平面，在KGM自由 曲线测试状态下，令读数头沿x、Y方向各往返测量若干次，分别得到XOY平面内沿着X方向 和Y方向的直线轨迹运动误差数据；在KGM圆轨迹测量状态下，令读数头以XOY平面内平面 检测光栅码盘安装中心坐标点为圆心，以R为半径沿圆轨迹运动若干次，得到XOY平面内圆 轨迹运动误差数据。其中，R的取值范围是30mm 70mm。2)分别将平面检测光栅码盘设置在三轴数控装备的工作平台的XOZ平面和YOZ平 面内，测量得到XOZ平面内沿着X方向和Z方向的直线轨迹运动误差数据、XOZ平面内圆轨 迹运动误差数据，以及YOZ平面内沿着Y方向和Z方向的直线轨迹运动误差数据、YOZ平面 内圆轨迹运动误差数据。第二步，通过直线轨迹运动误差数据辨识方法对原点的圆轨迹运动误差数据Exot、 Eyoz, Exoz进行辨识，分别得到三轴数控设备X轴的位置误差δ xX，Y轴的位置误差δ yY，Z轴 的位置误差Szz，X轴在Y方向上的直线度误差Syx，Y轴在X方向上的直线度误差δχΥ，X 轴在Z方向上的直线度误差δ ζΧ，Z轴在X方向上的直线度误差δ χΖ，Y轴在Z方向上的直 线度误差Szy，Z轴在Y方向上的直线度误差Syz，X轴与Y轴之间的垂直度误差Exy，Y轴与Z轴之间的垂直度误差￡yz，和XNδχΧ =^ikxxnXXn)η 二1轴与Z轴之间的垂直度误差εχζ，其中~=i>>> X^)，kxm、kyyn、kzzj1^Xη 二1轴、Y轴、_7] Szz=Yd(KzXZn)η二1Syx=^ikyxn ΧΧη)δ^=Σ(Κπ XX")η=\η=\Z 轴伸缩的第 η 阶分量的系数，^v =Td(KnXyn)Szy = h X/), kyxn，kzxn 为 Xn=\n=\δχζ = ΣWvz = Jjkyzn ΧΖ")η=\η=\导轨在Y轴和Z轴方向上直线度误差的第η阶分量的系数；kxyn，kzyn为Y导轨在X 轴和ζ轴方向上直线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三轴数控装备的几何运动误差的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，以工作平台水平左右滑动的方向为ｙ轴、水平垂直ｙ轴的前后方向为ｘ轴、以工作台台面中心为原点，竖直垂直ｘ轴和ｙ轴的方向为ｚ轴，根据右手定则来建立ＸＹＺ直角坐标系，利用平面正交光栅测量系统对三轴数控设备进行测量处理，分别得到三轴数控装备ＸＯＹ平面、ＹＯＺ平面和ＸＯＺ平面的直线轨迹运动误差数据ｓ↓［ＸＹ］（ｘ）和ｓ↓［ＸＹ］（ｙ）、ｓ↓［ＹＺ］（ｙ）和ｓ↓［ＹＺ］（ｚ）、ｓ↓［ＹＺ］（ｙ）和ｓ↓［ＸＺ］（ｚ），以及绕ＸＯＹ平面、ＹＯＺ平面和绕ＸＯＺ平面内原点的圆轨迹运动误差数据Ｅ↓［ＸＯＹ］、Ｅ↓［ＹＯＺ］、Ｅ↓［ＸＯＺ］，其中：ｓ↓［ＸＹ］（ｘ）和ｓ↓［ＸＹ］（ｙ）分别指ＸＯＹ平面内沿着Ｘ方向和Ｙ方向的直线轨迹运动误差数据；ｓ↓［ＹＺ］（ｙ）和ｓ↓［ＹＺ］（ｚ）分别指ＹＯＺ平面内沿着Ｙ方向和Ｚ方向的直线轨迹运动误差数据；ｓ↓［ＸＺ］（ｘ）和ｓ↓［ＸＺ］（ｚ）分别指ＸＯＺ平面内沿着Ｘ方向和Ｚ方向的直线轨迹运动误差数据；Ｅ↓［ＸＯＹ］、Ｅ↓［ＹＯＺ］、Ｅ↓［ＸＯＺ］分别指ＸＯＹ平面、ＹＯＺ平面、ＸＯＺ平面内以一定半径Ｒ作平面圆轨迹运动时所得实际圆轨迹点坐标和理论圆轨迹点坐标之间的径向误差坐标矢量数据；第二步，通过直线轨迹运动误差数据辨识方法对原点的圆轨迹运动误差数据Ｅ↓［ＸＯＹ］、Ｅ↓［ＹＯＺ］、Ｅ↓［ＸＯＺ］进行辨识，分别得到三轴数控设备Ｘ轴的位置误差δ↓［ｘＸ］，Ｙ轴的位置误差δ↓［ｙＹ］，Ｚ轴的位置误差δ↓［ｚＺ］，Ｘ轴在Ｙ方向上的直线度误差δ↓［ｙＸ］，Ｙ轴在Ｘ方向上的直线度误差δ↓［ｘＹ］，Ｘ轴在Ｚ方向上的直线度误差δ↓［ｚＸ］，Ｚ轴在Ｘ方向上的直线度误差δ↓［ｘＺ］，Ｙ轴在Ｚ方向上的直线度误差δ↓［ｚＹ］，Ｚ轴在Ｙ方向上的直线度误差δ↓［ｙＺ］，Ｘ轴与Ｙ轴之间的垂直度误差ε↓［ｘｙ］，Ｙ轴与Ｚ轴之间的垂直度误差ε↓［ｙｚ］，和Ｘδ↓［ｘＸ］＝＊（ｋ↓［ｘｘ↓［ｎ］］×↓［ｘ↑［ｎ］］）轴与Ｚ轴之间的垂直度误差ε↓［ｘｚ］，其中：δ↓［ｙＹ］＝＊（ｋ↓［ｙｙ↓［ｎ］］×ｙ↑［ｎ］），ｋ↓［ｘｘｎ］、ｋ↓［ｙｙｎ］、ｋ↓［ｚｚｎ］分别为Ｘ轴、Ｙ轴、δ↓［ｚＺ］＝＊（ｋ↓［ｚｚ↓［ｎ］］×ｚ↑［ｎ］）δ↓［ｙｘ］＝＊（ｋ↓［ｙｘ↓［ｎ］］×ｘ↑［ｎ］）δ↓［ｚｘ］＝＊（ｋ↓［ｚｘ↓［ｎ］］×ｘ↑［ｎ］）Ｚ轴伸缩的第ｎ阶分量的系数，δ↓［ｘｙ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜正春，张淑洁，郭扬，杜月阳，杨帆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[]