机床平动轴几何误差辨识方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械仪器设计领域及机床检测领域，尤其是涉及一种机床平动轴几何 误差辨识方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国航空航天和汽车制造业的迅速发展，多轴联动数控机床广泛应用于各种 复杂零件的加工。多轴数控机床应用于复杂零件加工时，在其几何精度保证方面主要有两 个热点问题：（1)为满足复杂零部件的加工精度要求，必须确保所采用多轴数控机床具有足 够的初始几何精度。（2)当多轴数控机床应用于零件的加工后，随着时间的推移，机床的精 度有所下降。为此，必须定期对机床进行误差检测和补偿，以保证机床加工精度维持在较为 稳定的水平。
[0003] 无论是评价机床的初始精度，还是定期对机床精度进行检测和补偿，几何误差检 测都至关重要，其核心问题是误差检测工具和相应的辨识方法。机床几何误差的获取方法 包括:直接测量和间接辨识两种途径。在直接测量方法中，一般采用激光干涉仪检测平动轴 定位误差，运用电子水平仪检测平动轴角度误差，运用激光干涉仪和多种棱镜组合检测直 线度误差和垂直度误差。美国API公司也研发了能够一次检测出平动轴6项误差的6D激光干 涉仪。虽然通过多种检测设备的组合使用进行平动轴几何误差直接检测，能够获得平动轴 的各项几何误差，但通常情况下电子水平仪无法检测平动轴绕竖直方向的转动误差，激光 干涉仪与棱镜组合检测直线度和垂直度误差时，需要多次精准调整光学仪器的位姿，对工 程师的工程经验依赖很大，且调节过程耗时。6D激光干涉仪虽然能实现单次调试检测多项 几何误差，但是使用6D激光干涉仪时通常需要同时调节6路激光，调节难度很大，一般工况 的机床难于在大工作行程内6路激光同时满足检测要求，且该种仪器的成本很高。
[0004] 相对于直接测量，间接辨识的方法可基于某一种检测仪器获取平动轴的几何误 差，成本较低，但辨识精度依赖于所采用的辨识方法。目前，针对多轴数控机床平动轴的误 差检测和辨识，应用最多的仪器就是激光干涉仪。基于激光干涉仪国内外的学者提出了很 多的误差辨识方法，如22线法，14线法，12线法，9线法等等。22线法需要复杂的遍历或者迭 代计算，实现起来比较繁琐且难度较大；14线法有中"平动轴的直线度误差的和为零"的假 设条件使得该方法缺乏一定通用性。12线法和9线法中平动轴定位误差的检测忽略了相应 角度误差的影响，此外应用9线法检测时需要激光干涉仪和棱镜多次组合安装，调节比较耗 时。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一 种机床平动轴几何误差辨识方法，所述方法具有检测成本低，检测过程用时少和辨识精度 尚的优点。
[0006] 根据本发明的机床平动轴几何误差辨识方法，所述方法包括:在机床平动轴运动 行程所构成的工作空间内确定13条联动轨迹线且每条联动轨迹线上均具有多个节点，运行 机床使主轴分别沿13条所述联动轨迹线移动并记录节点处的理想行程和实际行程;进行平 动轴几何误差建模并根据每个节点处的理想行程和实际行程计算机床平动轴的几何误差。
[0007] 根据本发明的机床平动轴几何误差辨识方法，通过检测数控机床平动轴联动轨迹 线的定位精度，实现获取平动轴几何误差的高精度辨识算法。
[0008] 在本发明的一些实施例中，所述方法还包括:将反射镜通过磁性座安装在机床主 轴端面上，安装激光干涉仪和干涉镜，调节激光光路并通过数控单元控制机床沿联动轨迹 线轴运动，运动过程中每到一个节点时，机床运动单元停止预定时间等待激光干涉仪采集 数据。
[0009] 在本发明的一些实施例中，以机床平动轴运动行程构成的长方体工作空间中的顶 点A为原点且经过顶点A的三边分别为X轴、Y轴和Z轴建立坐标系，分别沿X轴、Y轴和Z轴将所 述工作空间η等分并在交点处形成节点，以将所述工作空间离散处理形成(n+1 )3个节点。
[0010] 在本发明的一些实施例中，每条所述联动轨迹线均包括n+1个节点，所述联动轨迹 线包括:所述工作空间上共顶点A的三个表面上平行X轴的三条边构成的三条X轴轨迹线L1、 L2、L3;所述工作空间上共顶点A的三个表面上平行Y轴的三条边构成的三条Y轴轨迹线L4、 L5、L6;所述工作空间上共顶点A的三个表面上平行Z轴的三条边构成的三条Z轴轨迹线L7、 L8、L9;所述工作空间上共顶点A的三个表面上位于X-Y平面上的对角线构成的X、Y轴联动轨 迹线L10;所述工作空间上共顶点Α的三个表面上位于Χ-Ζ平面上的对角线构成的Χ、Ζ轴联动 轨迹线L11;所述工作空间上共顶点Α的三个表面上位于Υ-Ζ平面上的对角线构成的Υ、Ζ轴联 动轨迹线L12;所述工作空间上经过顶点Α的对角线构成的Χ、Υ、Ζ轴联动轨迹线L13。
[0011] 在本发明的一些实施例中，所述联动轨迹线上从第一个节点Α开始的第i个节点的 理想行程和实际行程如下：
[0012]与X单轴运动方向平行的3条X轴轨迹线的理想行程分别LXl且实际检测行程分别 为 Lli、L2i、L3i，
[0013]与Y单轴运动方向平行的3条Y轴轨迹线的理想行程分别Lyi且实际检测行程分别 为L4i、L5i、L6i，
[0014] 与Z单轴运动方向平行的3条Z轴轨迹线的理想行程分别LZl且实际检测行程分别 为L7i、L8i、L9i，
[0015] 沿X、Y联动轨迹线运动的理想行程分别1^71且实际检测行程分别为LlOn
[0016] 沿X、Z联动轨迹线运动的理想行程分别1^21且实际检测行程分别为Llh，
[0017] 沿Y、Z联动轨迹线运动的理想行程分别1^21且实际检测行程分别为L12U
[0018] 沿Χ、Υ、Ζ联动轨迹线运动的理想行程分别1^721且实际检测行程分别为L13U
[0019] 其中i为从1到n+1的整数。
[0020] 在本发明的一些实施例中，进行平动轴几何误差建模的方法包括：
[0021] 为机床床身和平动轴运动单元固联空间坐标系分别为：{Οο-ΧοΥοΖο}，{Ox-X xYxZx}， {0y-XyY yZy}和{0ζ-ΧζΥζΖ ζ}，设定所有坐标系具有相同的姿态，且所有坐标系的原点位于X，Υ， Ζ轴运动轴线的交点处，设定进行联动轨迹定位误差检测时，反射镜镜面中心相对于三个坐 标轴原点的距离为L，设定X轴运动单元相对于机床床身的三项线性误差源和三项角度误差 源分别为4\八\，2\，知，0,，丫^￥轴相对于乂轴的三项线性误差源和三项角度误差源分别为 ： Xy，Yy，Zy，ay，0y，y y;Z轴相对于Y轴的三项线性误差源和三项角度误差源分别为:Χζ，Υζ，Ζ ζ， ~，氏，丫2。其中4，￥，2,〇，0，丫分别表示线性误差和角度误差的方向，反射镜的几何误差
[0022]
[0023] 在本发明的一些实施例中，平动轴偏摆误差、颠摆误差和定位误差的辨识方法包 括：
[0024] 定义与X单轴运动方向对应的3条直线段的理想控制指令值均为LXi，相应的实际 检测值为1]^儿21儿31。运动轨迹1^1与1^2之间的距离为012，运动轨迹1^1与]^3之间的距离为 D13，X轴运动单元在X轴运动行程各离散节点上的偏摆误差和颠摆误差分别为： ΙΛ--H fy LA... -.a
[0025] 定义与Υ单轴运动方向对应的3条直线段的理想控制指令值均为Lyi，相应的实际 检测值为L4i，L5i，L6i。运动轨迹L4与L5之间的距离为D45，运动轨迹L4与L6之间的距离为 D46。根据几何知识，可辨识Y轴运动单元在Y轴运动行程各离散节点上的偏摆误差和颠摆误 差如下： L5 - ΙΛ /.6-/.4
[0026]
[0027] 定义与Z单轴运动方向对应的3条直线段的理想控制指令值均为LZi，相应的实际 检测值为L7i，L8i，L9i。运动轨迹L7与L8之间的距离为D78，运动轨迹L7与L9之间的距离为 D79。根据几何知识，可辨识Z轴运动单元在Z轴运动行程各离散节点上的偏摆误差和颠摆误 差如下：
[0028] A = =
[0029] 当Χ、Υ、Ζ轴单轴运动时，仅有与运动单元相关的几何误差对运动轨迹产生影响，不 参与运动轨迹的运动轴的几何误差可视为零，Χ、Υ、Ζ单轴运动检测共有三条轨迹线，为提升 定位误差的辨识精度，可对x、Y、z轴三条轨迹线的检测辨识结果进行平均处理。求得Χ、Υ、Ζ 轴的定位误差分别如下：
[0030] ~=峨,+(从-私)+ (12,：^) + (兑-叫
[0031] Κ + (λ4 - Υ4)+说；Y5)+(m)
[0032] 4二(只-耶(气邳)+ (码，) J 〇
[0033] 进一步地，平动轴滚动误差的辨识方法包括：
[0034] 联动轨迹线与单轴运动轨迹线的理想夹角分别如下： Τγ
[0035] Χ、Υ轴联动轨迹线与X轴轨迹线的理想夹角为：=
[0036] X、Y轴联动轨迹线与Y轴轨迹线的理想夹角为：=C〇s1^·)
[0037] X、Z轴联动轨迹线与X轴轨迹线的理想夹角为：=C0s、t)
[0038] X、Z轴联动轨迹线与Z轴轨迹线的理想夹角为：糾1__, zCosli)
[0039] Y、Z轴联动轨迹线与Y轴轨迹线的理想夹角为：舛2,, = Cosl#1·) Lyzi
[0040] Y、Z轴联动轨迹线与Z轴轨迹线的理想夹角为：妁L =C〇s1^)
[0041 ] 联动轨迹L13与X、Y、Z轴的理想夹角
[0042] Χ、Υ、Ζ轴联动轨迹线与X轴轨迹线的夹角为：糾夂
[0043] X、Y、Z轴联动轨迹线与Y轴轨迹线的夹角为：=C〇S-
[0044] X、Y、Z轴联动轨迹线与Z轴轨迹线的夹角为：
[0045] 考虑角度误差对定位误差的影响，联动轨迹L10，L11，L12分别与Χ、Υ、Ζ轴的实际夹 角为：
[0046] Χ、Υ轴联动轨迹线与X轴轨迹线的夹角为：
[0056] Υ、Ζ轴联动轨迹线与Ζ轴轨迹线的实际夹角为：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0057]
[0058] 联动轨迹L13与X、Y、Z轴的夹角
[0059] Χ、Υ、Ζ轴联动轨迹线与X轴轨