一种机床平动轴几何误差的快速测量方法及其装置与流程

本发明涉及机床误差测量技术领域。

背景技术：

数控机床已经广泛应用于航天、航空、航海、汽车、国防等各种领域，数控机床高精度制造是衡量一个国家先进制造水平的重要标志。国务院发布的《中国制造2025》中指出“开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备与集成制造系统”，同时“加快高档数控机床前沿技术和装备的研发，以提升可靠性、精度保持性为重点。”高精度成为包括五轴数控机床在内的高档数控机床发展的必然趋势。

在影响机床加工精度的众多因素中，几何误差和热误差是高档数控机床的最大误差源，占总制造误差的60％左右，机床几何误差精确测量成为提高机床加工精度的基础。平动轴几何误差是机床几何误差的重要组成部分，国内外学者对平动轴几何误差提出了很多测量方法。

现在普遍采用的9线法是采用激光干涉仪测量数控机床三个平动轴工作空间9条线上各个方向的综合误差，通过求解线性方程得到21项几何误差元素(参见田文杰，牛文铁，常文芬，张大卫(2014)数控机床几何精度溯源方法研究，机械工程学报(07):128-135)。但是9线法完成每个平动轴误差元素辨识所需的3条线的误差测量至少需要4次激光干涉仪的安装，大大增加了测量时间。另外，12线法、13线法、14线法、22线法等也是测量工作空间中多条线的综合误差并结合机床综合误差模型求解几何误差元素，需要设备的多次安装，同时需要结合误差模型计算几何误差，计算精度与误差模型相关。基于多普勒效应的激光干涉仪可实现分步体对角线测量方法，结合矢量运算，将体对角线运动分解为三个平动轴的单独运动组合(参见wangc(2000).laservectormeasurementtechniqueforthedeterminationandcompensationofvolumetricpositioningerrors.parti:basictheory.reviewofscientificinstruments,71(10):3933-3937.)。但是该方法中激光和反射镜之间存在校准误差，而且激光头和反射镜的安装比较困难。公开号为cn103447884b(申请号201310335401.8)的中国专利申请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，通过激光跟踪仪在四个不同位置对机床单个平动轴运动时空间三个点连续运动的轨迹进行测量，然后辨识得到平动轴各项误差。但是该方法需要将激光跟踪仪在不同位置进行测量，且需要对不同测量位置以及空间测量点进行标定，测量比较耗时，测量的过程也较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种机床平动轴几何误差的快速测量装置，它能有效地解决机床平动轴几何误差快速测量问题。

本发明的另一个目的是提供一种机床平动轴几何误差的快速测量方法，它能有效地解决机床平动轴几何误差的快速测量方法问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种机床平动轴几何误差的快速测量装置，包括激光头组及其支架和激光反射镜组及其支架，激光头组包括激光头一、激光头二、激光头三和激光头四，激光反射镜组包括激光反射镜一、激光反射镜二、反射镜三和激光反射镜四；激光头支架包括四边形复式框架和磁座二，反射镜支架包括工字形支架和磁座一，位于同一个平面内，且成矩形分布的激光反射镜组的工字形支架通过磁座一与机床主轴固定，与其所对应的激光头组，通过四边形复式框架与机床工作台的另一端固定，沿该四边形复式框架的上、下横梁的两端侧面均设有凹槽，激光头一、激光头二、激光头三和激光头四分别与嵌入该凹槽并固定；激光反射镜一、激光反射镜二、反射镜三和激光反射镜四位于同一个平面内，且成矩形分布。

所述的激光头组发射激光垂直于激光反射镜组反射镜的镜面。

所述的激光头组所在的平面垂直于待测平动轴运动方向，激光头组发射的激光平行于待测平动轴运动方向。

所述激光头组和反射镜组镜面均设有微调装置。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种机床平动轴几何误差的快速测量方法，包括以下步骤：

a、将四边形复式框架用磁座二与机床工作台的一端固定，将工字形支架用磁座一与机床主轴固定；

b、调整四边形复式框架和工字形支架的高度、以及激光头组和激光反射镜组的微调装置，保证激光头一、激光头二、激光头三和激光头四发射的激光分别通过激光反射镜一、激光反射镜二、激光反射镜三和激光反射镜四反射回来，并被各自的激光头接受；

c、设置待测平动轴行程中等间距分布的n个测量点，其中n>1；

d、通过待测平动轴运动来控制激光头组与激光反射镜组之间的距离，待测平动轴依次运动到每个测量点处，测量激光头一和激光反射镜一之间的距离，计作a距离，同时测量激光头二和激光反射镜二之间的距离，计作b距离，激光头三和激光反射镜三之间的距离记作c距离和激光头四和激光反射镜四之间的距离，为d距离；

e、根据四个激光头的相对位置，结合各个测量点处测量的a、b、c和d距离，计算平动轴各个测量点处六项几何误差项数值，得到平动轴整个行程中的六项几何误差。

步骤a和步骤b中的安装和调整时须保证激光头发射的激光平行于待测平动轴运动方向。

步骤a和步骤b中的激光头一和激光头二所在的连线方向垂直于待测平动轴运动方向，且平行于机床坐标系中的一条坐标轴。

步骤a和步骤b中激光头一和激光头三所在的连线方向垂直于待测平动轴运动方向，且垂直于激光头一和激光头二所在的连线。

步骤e得到的平动轴六项几何误差数值随着平动轴运动距离变化而变化。

作为优选，所述的四边形复式框架中激光头采用螺栓固定。

作为优选，所述的四边形复式框架中激光头一、二、三和激光头四安装位置固定不可调，保证激光头相对位置固定。

为了能够更准确地得到激光头与激光反射镜的距离，作为优选，所述激光头组中激光头有激光微调装置，所述激光反射镜组中激光反射镜有镜面微调装置，通过调整激光微调装置和镜面微调装置，保证所述的激光头组发射激光垂直于所述激光反射镜组反射镜的镜面。

所述的四边形复式框架高度可调，所述的安装反射镜的工字形支架高度可调，保证激光头与激光反射镜处于同一高度。

所述的激光头可采用现有技术，包括用于发射激光的激光发射部件、用于接收激光反射镜反射回的激光接受部件、对发射和接收激光进行控制的激光控制器，以及向计算机传输测量信号的信号传输部件。

激光反射镜也可采用现有技术。

本发明还提供了一种机床平动轴几何误差的测量方法，采用机床平动轴几何误差的快速测量装置，完成一个平动轴所有几何误差测量只需安装一次仪器，测量简便、快速，操作简单。

进一步地，步骤a和步骤b中安装和调整时保证激光头发射的激光平行于待测平动轴运动方向。

进一步地，步骤a和步骤b中激光头一和激光头二所在直线垂直于待测平动轴运动方向，平行于机床坐标系中一条坐标轴。

进一步地，步骤a和步骤b中激光头一和激光头三所在直线垂直度于待测平动轴运动方向，垂直于激光头一和激光头二所在直线。

进一步地，步骤e得到的平动轴六项几何误差数值随着平动轴运动距离变化而变化。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明机床平动轴几何误差的快速测量装置中通过固定四个激光头相对位置，实现四路平行激光同步测量，测量过程中无需改变激光头位置，避免引入激光不同的初始定位误差，保证测量准确性。

本发明机床平动轴几何误差的快速测量装置安装方便，操作简单，安装一次测量装置就可以完成平动轴六项几何误差的测量，避免装置的多次安装，提高测量效率，同时适合不同类型的平动轴，有利于推广使用，具有较好的应用前景。

本发明的测量方法，测量过程简单，同步采集四个激光头测量数据，结合激光头相对位置，依据平动轴几何误差定义，得到平动轴六项几何误差，克服了平动轴几何误差测量需要多次安装测量设备的问题，且所得几何误差随着平动轴运动距离变化而变化，符合几何误差性质。

附图说明

图1为本发明安装在机床上的结构示意图；

图2为图1正视图；

图3为本发明的四边形复式框架结构示意图；

图4为本发明的工字形支架结构示意图；

图5为本发明测量方法的流程图；

图6为本发明测量方法中转角误差计算原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图1所示为本发明机床平动轴几何误差的快速测量装置安装在机床上的结构示意图，附图2为正视图。本发明机床平动轴几何误差的快速测量装置包括：由激光头一5、激光头二4、激光头三6和激光头四2组成的激光头组，安装激光头的四边形复式框架3，由激光反射镜一9、激光反射镜二8、激光反射镜三11和激光反射镜四12组成的激光反射镜组，安装激光反射镜的工字形支架7。四边形复式框架3与机床固定的两个磁座二13如附图3所示。激光头组安装在四边形复式框架3上，四边形复式框架3通过磁座二13固定在机床工作台1上。如附图4所示，工字形支架7通过磁座一14固定在机床主轴10上。

激光头一5、激光头二4、激光头三6和激光头四2嵌入在四边形复式框架3的上、下横梁两端侧面的凹槽，采用螺栓固定，并位于同一个平面内，且成矩形分布，向激光反射镜组发射激光，并接受由激光反射镜组反射回的激光。激光头一5、激光头二4、激光头三6和激光头四2发射的激光平行于待测平动轴运动方向，激光头组所在平面垂直于待测平动轴运动方向。四边形复式框架3中激光头一5、激光头二4、激光头三6和激光头四2相对位置固定。四边形复式框架3高度可调，工字形支架7高度可调，保证四个激光头与相应的激光反射镜处于同一高度。通过待测平动轴运动来控制激光头组与激光反射镜组之间的距离，平动轴运动到测量点处同步采集激光头一5、激光头二4、激光头三6和激光头四2读数，测量激光头与激光反射镜的距离。

为了能够更准确地得到激光头与激光反射镜的距离，激光头组中均设有激光微调装置，激光反射镜组均设有镜面微调装置，通过调整激光微调装置和镜面微调装置，保证激光头组发射激光垂直于所述激光反射镜组激光反射镜的镜面。激光头可采用现有技术，包括用于发射激光的激光发射部件、用于接收激光反射镜反射回激光的激光接受部件、对发射和接收激光进行控制的激光控制器，以及向计算机传输测量信号的信号传输部件，采用网线与计算机连接。激光反射镜也可采用现有技术。

一种机床平动轴几何误差的测量方法，采用机床平动轴几何误差的快速测量装置，一次测量得到平动轴的六项几何误差，附图5所示为本发明机床平动轴几何误差的测量方法的流程图。以附图1所示的测量机床y轴为例阐述本发明机床平动轴几何误差的测量方法，包括步骤：

一种机床平动轴几何误差的快速测量方法，包括以下步骤：

a、将四边形复式框架用磁座二与机床工作台的一端固定，将工字形支架用磁座一与机床主轴固定；

b、调整四边形复式框架和工字形支架的高度、以及激光头组和激光反射镜组的微调装置，保证激光头一、激光头二、激光头三和激光头四发射的激光分别通过激光反射镜一、激光反射镜二、激光反射镜三和激光反射镜四反射回来，并被各自的激光头接受；

c、设置待测平动轴行程中等间距分布的n个测量点，其中n>1；

d、通过待测平动轴运动来控制激光头组与激光反射镜组之间的距离，待测平动轴依次运动到每个测量点处，测量激光头一和激光反射镜一之间的距离，计作a距离，同时测量激光头二和激光反射镜二之间的距离，计作b距离，激光头三和激光反射镜三之间的距离记作c距离和激光头四和激光反射镜四之间的距离，为d距离；

e、根据四个激光头的相对位置，结合各个测量点处测量的a、b、c和d距离，计算平动轴各个测量点处六项几何误差项数值，得到平动轴整个行程中的六项几何误差。

步骤a和步骤b中的安装和调整时须保证激光头发射的激光平行于待测平动轴运动方向。

步骤a和步骤b中的激光头一和激光头二所在的连线方向垂直于待测平动轴运动方向，且平行于机床坐标系中的一条坐标轴。

步骤a和步骤b中激光头一和激光头三所在的连线方向垂直于待测平动轴运动方向，且垂直于激光头一和激光头二所在的连线。

步骤e得到的平动轴六项几何误差数值随着平动轴运动距离变化而变化。

作为优选，所述的四边形复式框架中激光头采用螺栓固定。

作为优选，所述的四边形复式框架中激光头一、二、三和激光头四安装位置固定不可调，保证激光头相对位置固定。

为了能够更准确地得到激光头与激光反射镜的距离，作为优选，所述激光头组中激光头有激光微调装置，所述激光反射镜组中激光反射镜有镜面微调装置，通过调整激光微调装置和镜面微调装置，保证所述的激光头组发射激光垂直于所述激光反射镜组反射镜的镜面。

所述的四边形复式框架高度可调，所述的安装反射镜的工字形支架高度可调，保证激光头与激光反射镜处于同一高度。

所述的激光头可采用现有技术，包括用于发射激光的激光发射部件、用于接收激光反射镜反射回的激光接受部件、对发射和接收激光进行控制的激光控制器，以及向计算机传输测量信号的信号传输部件。

调整激光头与激光反射镜位置时，要保证在y轴整个行程中激光头发射激光都能够被激光反射镜反射回且被接受。

根据y轴行程合理设置测量点数目，开始测量时y轴位于零点处，测量开始时，驱动y轴运动到各个测量点处，期间保持其他运动轴静止，测量时同时采集四个激光头的读数，第i个测量点处各个激光头读数计作激光头一a(yi)、激光头二b(yi)、激光头三c(yi)和激光头四d(yi)。

在计算平动轴六项几何误差项数值时，需要先测量四个激光头之间的距离，激光头一和激光头三的距离为p，激光头一和激光头二距离为q。各个激光头读数平均值为y轴y方向线性误差，即定位误差δyy：

根据两激光头读数与运动轴垂直于激光头所在平面的角度误差之间关系，结合激光头一和激光头二的测量距离a(yi)和b(yi)，计算y轴在z方向的角度误差，如附图6所示。结合激光干涉仪中直线度误差计算原理由y轴在z方向的角度误差计算y轴x方向线性误差。

同理，先根据激光头一和激光头三的测量距离a(yi)、c(yi)，计算y轴在x方向的角度误差，再结合激光干涉仪中直线度误差计算原理由y轴在x方向的角度误差计算y轴z方向线性误差。

最后，计算运动轴运动方向的角度误差。根据激光头三和激光四的测量距离c(yi)、d(yi)，计算激光头三和激光四所在平面内y轴x方向线性误差。结合激光头一和激光头二所在平面内y轴x方向线性误差，根据y轴y方向的角度误差对激光头一和激光头二所在平面和激光头三和激光头四所在平面内x方向线性误差的影响，依据激光头一和激光头二所在平面和激光头三和激光头四所在平面之间的距离，计算y轴y方向的角度误差。

最终计算得到y轴六项几何误差，包括x、y和z方向的线性误差以及x、y和z方向的角度误差，所得误差数据随着y轴距离yi变化而变化。这种方法同样适应于x轴和z轴，只需保证激光头发射激光平行于平动轴运动方向。