球杆仪与电容位移传感器组合测量机床三维误差的方法

本发明属于机床误差检测技术领域，具体涉及一种利用球杆仪与电容位移传感器组合测量机床三维误差的测量方法。

背景技术：

随着现代制造业的不断发展，数控机床对加工零件精度的要求也越来越高，有效的检测分离出机床的各项几何误差是提高机床加工精度的前提。因此，快速、准确地检测出机床误差是提高机床加工精度的关键。球杆仪由于其检测精度高、成本低、检测效率高、安装简易、操作方便等优点，成为了数控机床几何精度检测应用最广泛的仪器之一。

球杆仪可以检测出机床的综合误差，通过分析圆弧轨迹，得出并分离出机床的垂直度、伺服不匹配、反向跃冲、直线度、比例不匹配等误差项。但是目前球杆仪仅能检测机床主轴运动过程中沿杆长方向的误差变化，所以在使用传统球杆仪检测机床误差时，只能对单一平面上的圆弧轨迹进行分析，无法准确检测出机床主轴运动时的三维误差。因此，若是能测量出机床主轴运动过程中的三维误差，将能使机床误差检测更加准确，并提高对机床误差的检测效率。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有球杆仪的不足，提出一种球杆仪与电容位移传感器组合测量机床三维误差的方法，将电容位移传感器通过夹具安装在机床主轴上，令机床主轴作圆弧插补运动，利用电容位移传感器测量机床主轴作圆弧插补运动时的径向误差及轴向误差。在机床主轴运动时，通过同步旋转台使得夹具始终保持向心运动。此外，考虑到同步旋转台可能引入的偏心误差，利用球杆仪直接对该误差进行测量。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

本发明球杆仪与电容位移传感器组合测量机床三维误差的方法，具体如下：

步骤一、将基座固定在机床工作台上；同步旋转台的一端通过轴承支承在基座上；将球座一固定在基座上，球座二固定在同步旋转台上，保证球座一的磁性球窝球心与球座二的磁性球窝球心位于同一高度。

步骤二、以球座一的磁性球窝球心为坐标原点o，初始时球座一与球座二的磁性球窝球心连线为y轴方向，水平面上垂直于y轴的直线为x轴方向，经过坐标原点o的竖直线为z轴方向，建立坐标系o-xyz；然后，将电容位移传感器夹具固定在同步旋转台的另一端，电容位移传感器一、电容位移传感器二和电容位移传感器三均固定在电容位移传感器夹具上，电容位移传感器一和电容位移传感器二位于电容位移传感器夹具两侧，电容位移传感器三位于夹具底部，保证电容位移传感器夹具、电容位移传感器一、电容位移传感器二和电容位移传感器三的中心轴线均位于面yoz上，且电容位移传感器一比电容位移传感器二靠近球座二。

步骤三、对球座一与球座二的磁性球窝中心距进行标定，取长度和球座一与球座二的磁性球窝中心距相等的球杆仪，将球杆仪的两端精密球分别吸附到球座一与球座二的磁性球窝上。

步骤四、将主轴嵌入电容位移传感器夹具内；然后，将托板通过托板紧固螺钉固定在电容位移传感器夹具上，使得托板平行于面yoz，且主轴的圆柱面与托板以及电容位移传感器夹具上平行于托板的内侧壁贴合，但主轴的圆柱面与电容位移传感器夹具的其余内侧壁均不接触，主轴端面上位于中心轴线上的点与球座一的磁性球窝球心等高。

步骤五、控制机床，使主轴作以半径为r的圆弧插补运动，电容位移传感器一、电容位移传感器二和电容位移传感器三通过电容位移传感器夹具随主轴一起作圆弧运动；球杆仪采集系统采集球杆仪测得的输出信号给处理器，电容位移传感器一、电容位移传感器二和电容位移传感器三采集主轴在运动过程中三个方向的位移信号给处理器，处理器处理后得到同步旋转台的偏心误差值，并进一步计算得到主轴三维误差。

优选地，所述的电容位移传感器夹具与同步旋转台通过夹具固定螺栓固定。

优选地，所述的电容位移传感器一、电容位移传感器二和电容位移传感器三均通过传感器紧固螺钉固定在夹具上。

优选地，所述电容传感器夹具的材料为殷钢。

优选地，所述球座一和球座二的磁性球窝内均固定有定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

优选地，所述球座一与球座二的磁性球窝中心距标定使用标定块规进行。

优选地，主轴三维误差的计算过程具体如下：

主轴作圆弧插补运动的圆心为坐标原点，同步旋转台的偏心误差通过球杆仪获得，设为δr，将主轴端面上位于中心轴线上的点设为测量点，测量点到球座一的磁性球窝球心的距离为主轴作圆弧插补运动时的半径r；设电容位移传感器一和电容位移传感器二测得的位移信号经处理器处理后得到的位移值分别为δa和δb，电容位移传感器三测得的位移信号经处理器处理后得到的位移值为δc，则测量点在理论圆轨迹平面上的实际误差δ满足：

其中，δa和δb的值为负时，则主轴相对电容位移传感器夹具向电容位移传感器一偏移，此时，δ与δr的差值也为负；δa和δb的值为正时，则主轴相对电容位移传感器夹具向电容位移传感器二偏移，此时，δ与δr的差值也为正。

而主轴作圆弧插补运动时满足：

其中，δx和δy分别为机床主轴作圆弧插补运动时在x轴和y轴方向上的误差量，θ为机床主轴作圆弧插补运动时在速度为v的情况下运动t秒所转动的角度。

联立式(1)和式(2)，求解得到δx和δy；

此外，用电容位移传感器三测得的位移信号经处理器处理后得到的位移值直接作为机床主轴作圆弧插补运动时在z轴方向上的误差量δz，则：

δz＝δc(3)

本发明具有的有益效果是：

1.本发明利用高精度电容位移传感器与球杆仪的组合测量，可以将机床的误差进行差分检测，即用球杆仪测量大范围误差变化，电容位移传感器测量由于球杆仪分辨率低而不能分辨的误差变化(球杆仪的分辨率为0.1um，而电容位移传感器的分辨率可达到纳米级)，提高对机床误差的检测精度；

2.本发明通过电容位移传感器测量出机床三维方向的误差，突破了传统球杆仪仅能测量二维误差的限制，使机床误差得到更加准确的辨识，并提高了对机床误差的检测效率；

3.本发明通过球杆仪测量出同步旋转台可能带来的偏心误差，提高了传感器所采集数据的准确性；

4.本发明通过调整主轴在电容位移传感器夹具内的径向位置(y轴方向位置，主轴在y轴方向上与电容位移传感器夹具不接触)，可实现在一定范围内对机床误差进行连续性测量，相比传统球杆仪只能在固定半径对机床进行误差检测，更具有实用性。

附图说明

图1为本发明中各零件的装配结构示意图；

图2为本发明中电容位移传感器夹具的结构示意图；

图3为本发明的测量原理图；

图中：1、基座；2、轴承；3、球座一；4、球杆仪；5、球座二；6、电容位移传感器一；7、传感器紧固螺钉；8、主轴；9、电容位移传感器二；10、托板；11、托板紧固螺钉；12、电容位移传感器三；13、电容位移传感器夹具；14、同步旋转台；15、夹具固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，球杆仪与电容位移传感器组合测量机床三维误差的方法，具体如下：

步骤一、将基座1固定在机床工作台上；同步旋转台14的一端通过轴承2支承在基座上；将球座一3固定在基座1上，球座二5固定在同步旋转台14上，保证球座一3的磁性球窝球心与球座二5的磁性球窝球心(如图3中点a所示)位于同一高度。

步骤二、以球座一3的磁性球窝球心为坐标原点o，初始时球座一3与球座二5的磁性球窝球心连线为y轴方向，水平面上垂直于y轴的直线为x轴方向，经过坐标原点o的竖直线为z轴方向，建立坐标系o-xyz；然后，将电容位移传感器夹具13固定在同步旋转台13的另一端，电容位移传感器一6、电容位移传感器二9和电容位移传感器三12均固定在电容位移传感器夹具13上，用于测量主轴8作圆弧插补运动时的三维误差，电容位移传感器一6和电容位移传感器二9位于电容位移传感器夹具13两侧，电容位移传感器三12位于夹具13底部，保证电容位移传感器夹具13、电容位移传感器一6、电容位移传感器二9和电容位移传感器三12的中心轴线均位于面yoz上，且电容位移传感器一6比电容位移传感器二9靠近球座二5。

步骤三、对球座一3与球座二5的磁性球窝中心距进行标定(优选100mm)，取长度和球座一3与球座二5的磁性球窝中心距相等的球杆仪4，将球杆仪4的两端精密球分别吸附到球座一3与球座二5的磁性球窝上。球杆仪4用于测量主轴作圆弧插补运动时同步旋转台14产生的偏心误差(同步旋转台14的中心轴线在水平面上的偏移距离)。

步骤四、将主轴8嵌入电容位移传感器夹具13内；然后，将托板10通过托板紧固螺钉11固定在电容位移传感器夹具13上，使得托板10平行于面yoz，且主轴8的圆柱面与托板10以及电容位移传感器夹具13上平行于托板10的内侧壁贴合，但主轴8的圆柱面与电容位移传感器夹具13的其余内侧壁均不接触，主轴8端面上位于中心轴线上的点与球座一3的磁性球窝球心等高。

步骤五、控制机床，使主轴作以半径为r的圆弧插补运动，电容位移传感器一6、电容位移传感器二9和电容位移传感器三12通过电容位移传感器夹具13随主轴8一起作圆弧运动；球杆仪采集系统采集球杆仪4测得的输出信号给处理器，电容位移传感器一6、电容位移传感器二9和电容位移传感器三12采集主轴在运动过程中三个方向的位移信号给处理器，处理器处理后得到同步旋转台14的偏心误差值，并进一步计算得到主轴三维误差。

作为一个优选实施例，电容位移传感器夹具13与同步旋转台14通过夹具固定螺栓15固定。

作为一个优选实施例，电容位移传感器一6、电容位移传感器二9和电容位移传感器三12均通过传感器紧固螺钉7固定在夹具13上。

作为一个优选实施例，电容传感器夹具13的材料为殷钢。

作为一个优选实施例，球座一3和球座二5的磁性球窝内均固定有定位环，定位环设有一体成型且沿周向均布的三块支撑块。

作为一个优选实施例，球座一3与球座二5的磁性球窝中心距标定使用标定块规进行。

作为一个优选实施例，主轴三维误差的计算过程具体如下：

如图3所示，主轴作圆弧插补运动的圆心为坐标原点o，同步旋转台的偏心误差通过球杆仪4获得，设为δr，将主轴端面上位于中心轴线上的点设为测量点b，测量点b到球座一3的磁性球窝球心的距离ob为主轴作圆弧插补运动时的半径r；设电容位移传感器一6和电容位移传感器二9测得的位移信号经处理器处理后得到的位移值分别为δa和δb(将δa和δb的平均值作为主轴在圆弧插补运动时测量点与电容位移传感器夹具的相对水平偏移量)，电容位移传感器三12测得的位移信号经处理器处理后得到的位移值为δc，则测量点b在理论圆轨迹平面上的实际误差δ满足：

其中，δa和δb的值为负时，则说明主轴相对电容位移传感器夹具向电容位移传感器一6偏移，此时，δ与δr的差值也为负；δa和δb的值为正时，则说明主轴相对电容位移传感器夹具向电容位移传感器二9偏移，此时，δ与δr的差值也为正。

而主轴作圆弧插补运动时满足：

其中，δx和δy分别为机床主轴作圆弧插补运动时在x轴和y轴方向上的误差量，θ为机床主轴作圆弧插补运动时在速度为v的情况下运动t秒所转动的角度，v和t均为已知量。

联立式(1)和式(2)，求解得到δx和δy；式(2)与传统球杆仪的误差检测表达式一致，可获得机床的综合误差信息。此外，在传统球杆仪测量机床误差时，由于其结构的限制，只能测量出机床主轴的二维误差，无法准确描述另一维的误差，而本发明通过合理安装电容位移传感器的位置，可用电容位移传感器三12测得的位移信号经处理器处理后得到的位移值直接作为机床主轴作圆弧插补运动时在z轴方向上的误差量δz，则：

δz＝δc(3)

可见，本发明针对机床总体误差的解耦计算十分简化，计算数据更准确。