机床单轴运动的几何误差的检测设备及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了机床单轴运动的几何误差的检测设备及其检测方法，该检测设备处理器、激光干涉仪、干涉镜组、反射镜组、支架以及固定平台，固定平台下部水平地设有滑动导轨，滑动导轨上设有垂直于滑动导轨且可沿滑动导轨滑动的Y向导轨，Y向导轨上设有垂直于Y向导轨且可沿Y向导轨滑动的X向导轨，X向导轨上设有垂直于X向导轨且可沿X向导轨滑动的Z向滑动平台；固定平台上设有第一光栅尺，X向导轨上设有第二光栅尺，Y向导轨上设有第三光栅尺，第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺均与处理器连接，反射镜组安装在Z向滑动平台上。本发明测量精度高且测量速度快，可广泛应用于机床单轴运动的几何误差检测领域中。
【专利说明】机床单轴运动的几何误差的检测设备及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机床单轴运动的几何误差的检测领域，特别是涉及机床单轴运动的几 何误差的检测设备及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着航空航天、军工、船舶、汽车等行业对精密零件加工的要求越来越高，机床的 精度性能显得更加重要，提高数控机床精度的研究倍受重视。尺寸精度是决定数控机床加 工精度的最重要因素，而数控机床的几何精度是影响尺寸精度的直接原因。对于机床单轴 运动的几何误差的测量是提高机床几何精度的基础环节，如何准确测量或辨识误差项成为 国内外学者关注的焦点。
[0003] 国内外许多学者对数控机床单轴运动的几何误差检测方法进行了较广泛而深入 的研究，先后出现了 9线法，10线法，14线法，激光跟踪法，基于激光干涉仪三坐标测量机综 合误差检定，基于开普勒激光干涉仪分步对角线法等各种检测方法。其中，九线法测量方法 简单，快捷，应用范围最广。但是，九线法受激光干涉仪的反射镜的摆放误差的影响，在一些 高精密测量场合，辨识精度往往达不到要求，导致数控机床无法有效地识别几何误差并进 行纠正，因而无法满足数控机床对加工精度的要求。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供机床单轴运动的几何误差的检测 设备，本发明的另一目的是提供机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 机床单轴运动的几何误差的检测设备，包括处理器、激光干涉仪、干涉镜组、反射 镜组、用于安装干涉镜组的支架以及用于安装在机床单轴上的固定平台，所述固定平台下 部水平地设有滑动导轨，所述滑动导轨上设有垂直于滑动导轨且可沿滑动导轨滑动的Y向 导轨，所述Y向导轨上设有垂直于Y向导轨且可沿Y向导轨滑动的X向导轨，所述X向导轨 上设有垂直于X向导轨且可沿X向导轨滑动的Z向滑动平台；
[0007] 所述固定平台上设有第一光栅尺，所述Y向导轨上设有第二光栅尺，所述X向导轨 上设有第三光栅尺，所述第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺均与处理器连接，所述反射 镜组安装在Z向滑动平台上；
[0008] 所述激光干涉仪发出的激光束被干涉镜组一分为二，其中一部分光束通过干涉镜 组后照射到反射镜组上并被反射镜组反射回干涉镜组后从干涉镜组透射返回到激光干涉 仪，另一部分光束直接经干涉镜组反射后返回到激光干涉仪。
[0009] 进一步，所述干涉镜组包括分束器、第一反射镜和第二反射镜，所述反射镜组包括 第三反射镜和第四反射镜，所述激光干涉仪发出的激光束被分束器一分为二，其中一部分 光束通过分束器后照射到第三反射镜上并依次经第三反射镜和第四反射镜反射后返回分 束器并透射返回到激光干涉仪，另一部分光束依次经第一反射镜和第二反射镜反射后返回 分束器并透射返回到激光干涉仪。
[0010] 进一步，所述X向导轨的侧面设有限位机构。
[0011] 进一步，所述滑动导轨的数量为两个，该两个滑动导轨平行地设置。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
[0013] 采用所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法，包括：
[0014] Sl、以滑动导轨所在方向为X轴，X向导轨所在方向为Y轴，Y向导轨所在方向为Z 轴，建立空间坐标系后，选定空间坐标系的原点后，驱动机床单轴沿Y轴方向运动；
[0015] S2、通过调节X向导轨、Y向导轨和Z向滑动平台使得反射镜组位于三个不同位置， 同时在每个位置均驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，在运动过程中采 用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅 尺采集反射镜组的实时位置数据；
[0016] S3、根据第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集的反射镜组的实时位置数据， 计算位置误差敏感度矩阵，进而获得位置误差敏感度矩阵的最小值对应的三个测量点处反 射镜组的实时位置数据后，结合激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据计算获得机床单 轴运动的六项几何误差。
[0017] 进一步，所述步骤S2,包括：
[0018] S21、沿线1进行测量：将Y向导轨调节到X向导轨的一侧，同时将Z向滑动平台调 节到Y向导轨的最低点，维持反射镜组在Y、Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜 组沿X轴作直线运动，整个过程中采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用 第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集反射镜组的实时位置数据；
[0019] S22、沿线2进行测量：将Z向滑动平台调节到Y向导轨的最高点后，继续维持反射 镜组在Υ、Ζ轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中 采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光 栅尺采集反射镜组的实时位置数据；
[0020] S23、沿线3进行测量：将Y向导轨调节到X向导轨的另一侧后，继续维持反射镜组 在Υ、Ζ轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中采用 激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺 采集反射镜组的实时位置数据。
[0021] 进一步，所述步骤S3,包括：
[0022] S31、在线1、线2及线3上各选择任一测量点后获取其对应的反射镜组的实时位置 数据，进而按照下式求解位置误差敏感度矩阵：
[0023]
【权利要求】
1. 机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，包括处理器、激光干涉仪、干涉 镜组、反射镜组、用于安装干涉镜组的支架以及用于安装在机床单轴上的固定平台，所述固 定平台下部水平地设有滑动导轨，所述滑动导轨上设有垂直于滑动导轨且可沿滑动导轨滑 动的Y向导轨，所述Y向导轨上设有垂直于Y向导轨且可沿Y向导轨滑动的X向导轨，所述 X向导轨上设有垂直于X向导轨且可沿X向导轨滑动的Z向滑动平台； 所述固定平台上设有第一光栅尺，所述Y向导轨上设有第二光栅尺，所述X向导轨上设 有第三光栅尺，所述第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺均与处理器连接，所述反射镜组 安装在Z向滑动平台上； 所述激光干涉仪发出的激光束被干涉镜组一分为二，其中一部分光束通过干涉镜组后 照射到反射镜组上并被反射镜组反射回干涉镜组后从干涉镜组透射返回到激光干涉仪，另 一部分光束直接经干涉镜组反射后返回到激光干涉仪。
2. 根据权利要求1所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，所述干 涉镜组包括分束器、第一反射镜和第二反射镜，所述反射镜组包括第三反射镜和第四反射 镜，所述激光干涉仪发出的激光束被分束器一分为二，其中一部分光束通过分束器后照射 到第三反射镜上并依次经第三反射镜和第四反射镜反射后返回分束器并透射返回到激光 干涉仪，另一部分光束依次经第一反射镜和第二反射镜反射后返回分束器并透射返回到激 光干涉仪。
3. 根据权利要求1所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，所述X向 导轨的侧面设有限位机构。
4. 根据权利要求1所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，所述滑 动导轨的数量为两个，该两个滑动导轨平行地设置。
5. 采用权利要求1-4中任一项所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方 法，其特征在于，包括： 51、 以滑动导轨所在方向为X轴，X向导轨所在方向为Y轴，Y向导轨所在方向为Z轴， 建立空间坐标系后，选定空间坐标系的原点后，驱动机床单轴沿Y轴方向运动； 52、 通过调节X向导轨、Y向导轨和Z向滑动平台使得反射镜组位于三个不同位置，同 时在每个位置均驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，在运动过程中采用 激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺 采集反射镜组的实时位置数据； 53、 根据第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集的反射镜组的实时位置数据，计算 位置误差敏感度矩阵，进而获得位置误差敏感度矩阵的最小值对应的三个测量点处反射镜 组的实时位置数据后，结合激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据计算获得机床单轴运 动的六项几何误差。
6. 根据权利要求5所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法，其特征在 于，所述步骤S2,包括： S21、沿线1进行测量：将Y向导轨调节到X向导轨的一侧，同时将Z向滑动平台调节到 Y向导轨的最低点，维持反射镜组在Y、Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿 X轴作直线运动，整个过程中采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光 栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集反射镜组的实时位置数据； 522、 沿线2进行测量：将Z向滑动平台调节到Y向导轨的最高点后，继续维持反射镜组 在Y、Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中采用 激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺 采集反射镜组的实时位置数据； 523、 沿线3进行测量：将Y向导轨调节到X向导轨的另一侧后，继续维持反射镜组在Υ、 Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中采用激光 干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集 反射镜组的实时位置数据。
7.根据权利要求6所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法，其特征在 于，所述步骤S3,包括： 531、 在线1、线2及线3上各选择任一测量点后获取其对应的反射镜组的实时位置数 据，进而按照下式求解位置误差敏感度矩阵：
上式中，
^ (X11Y11Z1), (X21Y21Z2), (X3, Y3, Z3)依次为反射镜组在所选择的线1、线2及线3的测量点上的实时位置数据； 532、 重复执行步骤S31直到执行预设迭代计算次数后，获取位置误差敏感度矩阵的最 小值，进而获得其对应的线1、线2及线3的测量点处反射镜组的实时位置数据后，代入下式 计算机床单轴运动的六项几何误差： {八⑴} = [Εχ]{δχ} 上式中，{Λ (X)} = [Ax1W AyJX) AzJX) AxJX) Ay2⑴ Ax3⑴]τ，{δχ} = [δχ(Χ) δ γ (X) δ ζ (X) ε χ (X) ε γ (X) ε ζ (X) ]τ，Ex 的表达式如下：
其中，Ax1(X)、Ay1(X)及Az1(X)依次表示激光干涉仪采集的线1的机床单轴的实时 误差数据中的X轴数据、Y轴数据及Z轴数据，Λ x2 (X)及Λ y2 (X)分别表示激光干涉仪采 集的线2的机床单轴的实时误差数据中的X轴数据及Y轴数据，Ax3(X)表示激光干涉仪采 集的线3的机床单轴的实时误差数据中的X轴数据； δ χ(Χ)、δ γ(Χ)、δ Ζ(Χ)、ε χ(χ)、ε γ(χ)及ε ζ(χ)分别表示机床单轴运动的六项几何误 差，其中Sx(X)表示机床沿X轴运动时在X轴方向的定位误差，δγ(Χ)表示机床沿X轴运 动时在Y轴方向的位移误差，S z(X)表示机床沿X轴运动时在Z轴方向的位移误差，εχ(χ) 表示机床沿X轴运动时在X轴方向的滚摆误差，ε γ(χ)表示机床沿X轴运动时在Y轴方向 的扭摆误差，εζ(χ)表示机床沿X轴运动时在Z轴方向的旋转误差。
【文档编号】G01B11/00GK104390586SQ201410636193
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】彭伟超, 王素娟, 陈新度, 夏鸿建, 欧阳祥波, 王晗, 李克天, 刘强 申请人:广东工业大学