数控机床平动轴几何误差的测量装置及测量与辨识方法
【专利摘要】本发明公开了一种数控机床平动轴几何误差的测量装置及测量与辨识方法，采用一台激光跟踪仪先后在四个不同位置对机床单个平动轴三个固定点沿轴向进给运动进行测量，通过三个固定点在空间连续运动的轨迹，计算运动轴的实时位姿，最后辨识出机床的各项误差。由于测量运动轴的实时位姿，所获取的机床信息远比只测刀具运动轨迹的信息丰富的多，所以误差辨识算法也非常简单，适于快速数据处理与机床误差快速补偿，本发明有精度高、操作快速简单、测量信息丰富等优点，适合于数控机床领域的精度检测。
【专利说明】数控机床平动轴几何误差的测量装置及测量与辨识方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密测量技术，特别涉及基于位姿测量的数控机床平动轴几何误差检测与辨识。
【背景技术】
[0002]机床是制造机器的机器，机床的质量对制造业的发展有着决定性的影响，而机床本身的精度又是判别机床质量好坏的最重要的标准。提高机床加工精度的方法有两种:一是提高机械精度。这种方法最初被广泛采用，但是随着对加工精度的进一步提高，费用也成指数形式增长，经济性不好。第二种方法就是误差补偿。这种方法代价小、周期短、效率高，一经提出便被广泛研究与采用。因此，快速准确地测出机床的误差并进行补偿，是提高机床加工精度的有效途径。
[0003]在众多影响机床加工精度的误差诸如几何误差、热变形误差、力变形误差、动态误差等中，几何误差对加工精度的影响最大，达到40%以上。由于几何误差有稳定性好、重复性好、又易于测量等特点，因此是机床误差补偿的主要研究方向。
[0004]激光跟踪测量系统(Laser Tracker System)是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。将激光跟踪测量系统应用于机床误差检测领域，相比目前常用的实物基准测量法、双球杆仪测量法、正交光栅测量法、激光干涉测量法等静态测量法，有着无可比拟的优势。
[0005]单台激光跟踪仪测量时可以同时提供一个测距信息和两个转角信息。利用一台激光跟踪仪便可以确定被测物体在激光跟踪仪所建立的球坐标系中的相对坐标。但是角度编码器随着距离的加大带来的位置误差亦很大，影响到整体精度，只能用于精度要求较低的场合。激光跟踪仪是利用激光测距，所以测距精度很高，因而有人就提出了运用多台激光跟踪仪同时测量的方法，即多边法原理。这种方法大大提高测量精度和测量范围。但是需要至少四台激光跟踪仪同时对目标点进行测量，大大增加了测量成本。多站分时测量法很好的解决了成本问题，但是只测量刀具轨迹，为后续数据处理带来了很大的麻烦。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种数控机床平动轴几何误差的测量装置及测量与辨识方法。
[0007]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0008]一种数控机床平动轴几何误差的测量装置，该测量装置包括一台激光跟踪仪、与所述激光跟踪仪相对设置的猫眼以及可回转的猫眼托架，猫眼与猫眼托架相连，猫眼托架设置于机床刀具安装位置。[0009]所述猫眼托架包括回转轴以及与回转轴相连的摆杆，猫眼设置于摆杆上。
[0010]所述猫眼托架还包括用于精密定位回转轴的回转位置的定位销。
[0011]所述猫眼托架还包括与回转轴相连的回转轴固定架，回转轴固定架设置于机床刀具安装位置。
[0012]一种数控机床平动轴几何误差的测量与辨识方法，包括以下步骤:
[0013]I)检测前，利用三坐标测量机标定猫眼托架六个固定点的相对空间坐标位置，所述猫眼托架包括回转轴以及与回转轴相连的摆杆，摆杆上设置有猫眼，六个固定点为猫眼绕回转轴旋转一周的六个不同位置；
[0014]2)经过步骤I)后，将猫眼托架固定安装在机床刀具安装位置处，然后以猫眼托架的回转中心为坐标原点0，以过坐标原点和第一个固定点的直线为X轴，设定坐标原点、第一个固定点以及第二个固定点所确定的平面为XOY平面，以XOY平面内过坐标原点垂直于X轴的直线为Y轴，以过坐标原点垂直于XOY平面的直线为Z轴，然后按照右手法则建立位置固定的笛卡尔坐标系；
[0015]3)利用六个固定点在笛卡尔坐标系的位置坐标完成激光跟踪仪在四个基站的标定；在机床刀具进给过程中，利用激光跟踪仪在四个基站的空间坐标值连续标定所述六个固定点中三个固定点的坐标，得到所述三个固定点的空间轨迹；
[0016]4)连接所述三个固定点的空间轨迹上的对应点，得到连续多个三角形的空间位姿；
[0017]5)求三角形的法向量，定义初始三角形的法向量为初始法向量，后续三角形的法向量为后续法向量，以初始法向量为参考，后续法向量绕X、Y、Z轴中的两个轴各旋转一次，使后续法向量与初始法向量重合，两个旋转角即为两项旋转角误差；
[0018]6)利用后续法向量与X、Y、Z轴的夹角关系求解出第三项旋转角误差；
[0019]7)利用步骤5)所得到的两项旋转角误差使后续三角形分别绕步骤5)中所述两个轴逆向旋转，经过旋转，所有后续三角形与初始三角形平行，后续三角形上任意一点与初始三角形上对应点的空间坐标差值即为定位误差和两项直线度误差。
[0020]所述步骤3)的具体实施流程包括:
[0021]第一步、将激光跟踪仅固定在基站B1 ;
[0022]第二步、令机床所有轴都处于起始位置，激光跟踪仪显示值设为0，旋转猫眼托架的摆杆，在六个不同位置记录激光跟踪仪的显示值，利用这些显示值标定激光跟踪仪所在基站的空间坐标，所述六个不同位置中相邻两个位置的夹角为60° ;
[0023]第三步、控制机床沿轴向进给运动，并在运动路径上设置多个测量点，当机床运动到各测量点位置时，机床停止运动，记下测量点位置处激光跟踪仪的测距读数，当所有测量点测量完成后，得到不同测量点处的激光跟踪仪的测距读数；
[0024]第四步、将摆杆旋转120°，重复第三步，测量完毕后，再将摆杆旋转120°，重复
第三步；
[0025]第五步、将激光跟踪仪分别固定在基站B2、基站B3以及基站B4,并分别重复第二步至第四步。
[0026]本发明的有益效果体现在:
[0027]本发明采用猫眼以及可回转的猫眼托架可快速完成激光跟踪仪基站空间坐标的高精度标定，标定精度排除了机床系统误差的影响；本发明采用一台激光跟踪仪、猫眼以及可回转的猫眼托架先后在四个不同检测位置对机床单个平动轴三个固定点沿轴向进给运动进行测量，通过三个固定点在空间连续运动的轨迹，计算运动轴的实时位姿，最后辨识出机床的各项误差，由于测量运动轴的实时位姿，所获取的机床信息远比只测刀具运动轨迹的信息丰富的多，所以误差辨识算法也非常简单，适于快速数据处理与机床误差快速补偿；本发明具有成本低、精度高、操作快速简单、测量信息丰富等优点，适合于数控机床领域的精度检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为四路分时测量数控机床精度的原理图；测量时，激光跟踪仪先后在B2,b3、b4四个检测位置(基站)对测量点坐标进行测量。
[0029]图2为图1的局部放大图，图2中:1为猫眼，2为摆杆，3为定位销，4为回转轴，5为回转轴固定架。
[0030]图3为激光跟踪仪基站标定原理图；测量之前，利用猫眼托架已经标定出坐标值的六个固定点(A、B、C、D、E、F)对激光跟踪仪所在检测位置进行标定。
[0031]图4为位姿法测量过程模型图。
[0032]图5为六项误差分析图。
[0033]图6为误差分离原理图。
[0034]图7为角运动误差的对比图；(a)为绕X轴旋转误差输入值；(b)为绕X轴旋转误差分离值；(c)为绕X轴旋转误差输入分离对比；(d)为绕Z轴旋转误差输入值；(e)为绕Z轴旋转误差分离值；(f)为绕Z轴旋转误差输入分离对比。
[0035]图8为Z轴定位误差、直线度误差的对比图；(a)为Z轴X向直线度误差输入值；(b)为Z轴X向直线度误差分离值；(c)为X向直线度误差对比；(d)为Z轴Y向直线度误差输入值；(e)为Z轴Y向直线度误差分离值；(f)为Y向直线度误差对比；(g)为Z轴定位误差输入值；(h)为Z轴定位误差分离值；(i)为Z轴定位误差对比。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0037]参见图1以及图2，本发明所述数控机床平动轴几何误差的测量装置包括一台激光跟踪仪、与所述激光跟踪仪相对设置的猫眼I以及可回转的猫眼托架，猫眼I与猫眼托架相连，猫眼托架设置于机床刀具安装位置。所述猫眼托架包括回转轴4以及与回转轴4相连的摆杆2，猫眼I设置于摆杆2上。所述猫眼托架还包括用于精密定位回转轴的回转位置的定位销3。所述猫眼托架还包括与回转轴4相连的回转轴固定架5，回转轴固定架5设置于机床刀具安装位置。
[0038]参见图3-图6，基于上述数控机床平动轴几何误差的测量装置的数控机床平动轴几何误差的测量与辨识方法，包括以下步骤:
[0039]I)检测前，利用三坐标测量机标定猫眼托架六个固定点的相对空间坐标位置，所述猫眼托架包括回转轴4以及与回转轴4相连的摆杆2，摆杆2上设置有猫眼1，六个固定点为猫眼绕回转轴旋转一周的六个不同位置；[0040]2)经过步骤I)后，将猫眼托架固定安装在机床刀具安装位置处，然后以猫眼托架的回转中心为坐标原点0，以过坐标原点和第一个固定点的直线为X轴，设定坐标原点、第一个固定点以及第二个固定点所确定的平面为XOY平面，以XOY平面内过坐标原点垂直于X轴的直线为Y轴，以过坐标原点垂直于XOY平面的直线为Z轴，然后按照右手法则建立位置固定的笛卡尔坐标系；
[0041]3)利用六个固定点在笛卡尔坐标系的位置坐标完成激光跟踪仪在四个基站的标定；在机床刀具进给过程中，利用激光跟踪仪在四个基站的空间坐标值连续标定所述六个固定点中三个固定点的坐标，得到所述三个固定点的空间轨迹；
[0042]4)连接所述三个固定点的空间轨迹上的对应点，得到连续多个三角形的空间位姿；
[0043]5)求三角形的法向量，定义初始三角形的法向量为初始法向量，后续三角形的法向量为后续法向量，以初始法向量为参考，后续法向量绕X、Y、Z轴中的两个轴各旋转一次，使后续法向量与初始法向量重合，两个旋转角即为两项旋转角误差；
[0044]6)利用后续法向量与X、Y、Z轴的夹角关系求解出第三项旋转角误差；
[0045]7)利用步骤5)所得到的两项旋转角误差使后续三角形分别绕步骤5)中所述两个轴逆向旋转，经过旋转，所有后续三角形与初始三角形平行，后续三角形上任意一点与初始三角形上对应点的空间坐标差值即为定位误差和两项直线度误差。
[0046]所述步骤3)的具体实施流程包括:
[0047]第一步、将激光跟踪仅固定在基站B1 ;
[0048]第二步、令机床所有轴都处于起始位置，激光跟踪仪显示值设为0，旋转猫眼托架的摆杆，在六个不同位置记录激光跟踪仪的显示值，利用这些显示值标定激光跟踪仪所在基站的空间坐标，所述六个不同位置中相邻两个位置的夹角为60° ;
[0049]第三步、控制机床沿轴向进给运动，并在运动路径上设置多个测量点，当机床运动到各测量点位置时，机床停止运动，记下测量点位置处激光跟踪仪的测距读数，当所有测量点测量完成后，得到不同测量点处的激光跟踪仪的测距读数；
[0050]第四步、将摆杆旋转120°，重复第三步，测量完毕后，再将摆杆旋转120°，重复
第三步；
[0051]第五步、将激光跟踪仪分别固定在基站B2、基站B3以及基站B4,并分别重复第二步至第四步。
[0052]实施例
[0053]一种基于位姿测量的数控机床平动轴几何精度检测与辨识方法，包括以下步骤:
[0054]( I)多站分时测量位姿步骤
[0055]测量前，将猫眼托架固定于刀具安装位置处附近。猫眼提前安装在猫眼托架的摆杆末端，激光跟踪仪固定在B1位置，如图1、图2所示。猫眼托架可以绕回转中心旋转，并且每隔60°可以精密定位。猫眼提前安装在猫眼托架的摆杆末端，且相对于猫眼托架回转中心的坐标经三坐标测量机严格标定。即以猫眼托架回转中心为坐标原点，以回转平面为XOY平面，以摆杆起始位置为X轴，建立虚拟坐标系。那么猫眼在六个固定位置的坐标便可以严格标定。
[0056]测量时，1.所有轴都处于起始位置，激光跟踪仪显示值设为O。旋转猫眼托架摆杆，在六个不同位置记录激光跟踪仪的显示值。这些数值用来标定基站位置。2.控制机床沿单个轴进给运动，并在其运动路径上设置有多个测量点。当机床运动到各测量点位置时，机床停止运动，记下该测量点位置处激光跟踪仪的测距读数，当所有测量点测量完成后，得到不同测量点处的激光跟踪仪的测距读数。3.将摆杆旋转120°，重复第1，2步骤。测量完毕后，再将摆杆旋转120°，重复第1，2步骤，获得摆杆在三个不同位置的测距读数。4.将激光跟踪仪分别固定在B2、B3, B4位置，重复前三个步骤，直至测量结束。
[0057](2)测量数据处理步骤
[0058]A.激光跟踪仪基站位置标定；B.测量点空间坐标标定；C.机床误差分离。
[0059]1、多站分时测量原理
[0060]多站分时测量法，即激光跟踪仪先后在不同的位置对目标点进行测量。如图1所示，激光跟踪仪先后在B2, B3, B4四个不同的位置，通过对数控机床同一运动轨迹进行四次测量，便可以得到四个测距信息。通过四个测距信息便可以确定目标点的空间坐标。理论上，三个测距信息就可以计算出目标点的空间坐标，此处利用冗余信息可以使计算结果更加精确。
[0061]2、多站分时位姿测量基站位置标定
[0062]如图3所示，测量之前，猫眼六个不同位置已经标定，分别设为A (xa, ya, za)、B (xb, yb, zb)、C (xc, yc, zc)、D (xd, yd, zd)、E (xe, ye, ze)、F (xf, yf, zf)。经过测量步骤 I，可以获得六个相对测距信息。设第一点的绝对距离为ALbl，后面5个点的距离分别为ALbl+L2、ALbl+L3、ALbl+L4、ALbl+L5、ALbl+L6，其中 ALbl 为未知数，L2、L3、L4、L5、L6 分别为后 5 个点在激光跟踪仪上的读数。设激光跟踪仪的位置为B1Ubl, ybl, zbl)，那么可以列出如下方程组:
【权利要求】
1.一种数控机床平动轴几何误差的测量装置，其特征在于:该测量装置包括一台激光跟踪仪、与所述激光跟踪仪相对设置的猫眼(I)以及可回转的猫眼托架，猫眼(I)与猫眼托架相连，猫眼托架设置于机床刀具安装位置。
2.根据权利要求1所述一种数控机床平动轴几何误差的测量装置，其特征在于:所述猫眼托架包括回转轴(4)以及与回转轴(4)相连的摆杆(2)，猫眼(I)设置于摆杆(2)上。
3.根据权利要求2所述一种数控机床平动轴几何误差的测量装置，其特征在于:所述猫眼托架还包括用于精密定位回转轴的回转位置的定位销(3)。
4.根据权利要求2所述一种数控机床平动轴几何误差的测量装置，其特征在于:所述猫眼托架还包括与回转轴(4)相连的回转轴固定架(5)，回转轴固定架(5)设置于机床刀具安装位置。
5.一种数控机床平动轴几何误差的测量与辨识方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)检测前，利用三坐标测量机标定猫眼托架六个固定点的相对空间坐标位置，所述猫眼托架包括回转轴(4)以及与回转轴(4)相连的摆杆(2)，摆杆(2)上设置有猫眼(1)，六个固定点为猫眼绕回 转轴旋转一周的六个不同位置； 2)经过步骤I)后，将猫眼托架固定安装在机床刀具安装位置处，然后以猫眼托架的回转中心为坐标原点O，以过坐标原点和第一个固定点的直线为X轴，设定坐标原点、第一个固定点以及第二个固定点所确定的平面为XOY平面，以XOY平面内过坐标原点垂直于X轴的直线为Y轴，以过坐标原点垂直于XOY平面的直线为Z轴，然后按照右手法则建立位置固定的笛卡尔坐标系； 3)利用六个固定点在笛卡尔坐标系的位置坐标完成激光跟踪仪在四个基站的标定；在机床刀具进给过程中，利用激光跟踪仪在四个基站的空间坐标值连续标定所述六个固定点中三个固定点的坐标，得到所述三个固定点的空间轨迹； 4)连接所述三个固定点的空间轨迹上的对应点，得到连续多个三角形的空间位姿； 5)求三角形的法向量，定义初始三角形的法向量为初始法向量，后续三角形的法向量为后续法向量，以初始法向量为参考，后续法向量绕X、Y、Z轴中的两个轴各旋转一次，使后续法向量与初始法向量重合，两个旋转角即为两项旋转角误差； 6)利用后续法向量与X、Y、Z轴的夹角关系求解出第三项旋转角误差； 7)利用步骤5)所得到的两项旋转角误差使后续三角形分别绕步骤5)中所述两个轴逆向旋转，经过旋转，所有后续三角形与初始三角形平行，后续三角形上任意一点与初始三角形上对应点的空间坐标差值即为定位误差和两项直线度误差。
6.根据权利要求5所述一种数控机床平动轴几何误差的测量与辨识方法，其特征在于:所述步骤3)的具体实施流程包括: 第一步、将激光跟踪仪固定在基站B1 ； 第二步、令机床所有轴都处于起始位置，激光跟踪仪显示值设为0，旋转猫眼托架的摆杆，在六个不同位置记录激光跟踪仪的显示值，利用这些显示值标定激光跟踪仪所在基站的空间坐标，所述六个不同位置中相邻两个位置的夹角为60° ; 第三步、控制机床沿轴向进给运动，并在运动路径上设置多个测量点，当机床运动到各测量点位置时，机床停止运动，记下测量点位置处激光跟踪仪的测距读数，当所有测量点测量完成后，得到不同测量点处的激光跟踪仪的测距读数；第四步、将摆杆旋转120°，重复第三步，测量完毕后，再将摆杆旋转120°，重复第三步 第五步、将激光跟踪仪分别固定在基站B2、基站B3以及基站B4,并分别重复第二步至第四步。
【文档编号】B23Q17/24GK103447884SQ201310335401
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】郭俊杰, 李海涛, 王金栋, 邓玉芬, 万鹏, 周阿维, 杨佼, 邱娟, 魏海斌 申请人:西安交通大学