一种旋转角测量系统的误差标定方法与流程
本发明涉及一种角度测量系统的误差标定方法，特别是一种旋转角测量系统的误差标定方法。
背景技术：
目前使用较为广泛的机床误差检测仪器有激光干涉仪和球杆仪，由于自身检测原理上的因素，这些仪器在应用于多轴数控机床的误差检测中存在各自的不足：如激光干涉仪调整复杂，一次测量只能获得一个参数，操作要求高，难以实现自动化、快速化，并且价格昂贵，一般企业不具备；球杆仪无法随意规划测量路径，为旋转轴误差辨识的测量步骤设计和理论解耦算法研究增加了难度，且球杆仪以磁力座配合精密球进行接触式测量，需要在低速下运动以保证测量精度，很难适应机床误差检测快速化趋势。
针对复杂异型零件的加工，多轴数控加工技术凭借其灵活、高效、高精的特点得到了广泛应用和推广，为满足定期精度校准的需要，高效的机床误差检测与辨识方法就成为亟待解决的问题。多轴数控机床的几何误差检测主要包括运动轴的角度误差、定位误差、直线度误差、垂直度误差等，其中角度误差中的旋转角误差是其中需要测量的一项重要参数。为了提高旋转轴的旋转角误差检测的效率和精度，需要提出更多的旋转角测量系统及其误差标定方法。
技术实现要素：
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种旋转角测量系统的误差标定方法，采用该方法可以标定旋转角测量系统的测量误差，提高测量精度。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种旋转角测量系统的误差标定方法，包括安装在z轴上的差分光学测头和曲面基准件，在所述曲面基准件上设有多组成对布置的曲面组，每组曲面设有一个曲面ⅰ和曲面ⅱ，每个曲面组内的曲面ⅰ和曲面ⅱ设置在同一直径上，相邻两个曲面组的中心线夹角是β，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头ⅰ和光学测头ⅱ，所述光学测头的光轴与z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面ⅰ和曲面ⅱ中心间的距离相等；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和ccd相机，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述ccd相机上；所述数据处理模块根据两个所述光学测头的ccd相机中光斑的位置，计算获得旋转轴的旋转角参数。该标定方法采用激光自准直仪，所述激光自准直仪包括准直光管和平面反射镜；所述平面反射镜垂直安装在所述曲面基准件的轴心处，具体步骤如下：1)通过标定得出光学测头ⅰ的光轴在光学测头ⅰ的ccd相机中的位置坐标o1'(x'o1,y'o1)，通过标定得出光学测头ⅱ的光轴在光学测头ⅱ的ccd相机中的位置坐标o'2(x'o2,y'o2)；2)选择所述曲面基准件中的第1曲面组作为起始标定曲面组，使所述旋转角测量系统处于标定模式；3)调整所述曲面基准件，使所述曲面ⅰ位于光学测头ⅰ的测量范围内，所述曲面ⅱ位于所述光学测头ⅱ的测量范围内，且所述曲面ⅰ的中心线与所述光学测头ⅰ的光轴平行，所述曲面ⅱ的中心线与所述光学测头ⅱ的光轴平行；4)调整准直光管，使准直光管的光轴处于平面反射镜中心且与平面反射镜垂直；此时曲面基准件位于第1曲面组的初始位置处，曲面ⅰ上对应的测量点为a1，曲面ⅱ上对应的测量点为a2；记录此时激光准直仪的读数和旋转角测量系统读数作为标定零点；5)采用所述激光自准直仪和所述旋转角测量系统同步针对第1曲面组获取多个位置处的旋转角，具体步骤为：5.1)获取第1曲面组初始位置处测量点a1坐标a1(x1,y1)和测量点a2坐标a2(x2,y2)，具体步骤为：5.1.1)获取光学测头ⅰ的ccd相机中成像光斑中心位置坐标a1'(x1',y1')；5.1.2)将步骤5.1.1)中的光斑中心位置坐标a1'(x1',y1')转换为光斑中心距离光轴的距离s1x、s1y；5.1.3)计算测量点a1斜率对应的角度：ξx1＝arctan(s1x/f)/2，ξy1＝arctan(s1y/f)/2，其中：ξx1代表测量点a1在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；ξy1代表测量点a1在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；s1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在x轴方向距离系统光轴的距离；s1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在y轴方向距离系统光轴的距离；f代表成像透镜的焦距；5.1.4)计算测量点a1(x1,y1)的坐标：x1＝g(ξx1)，y1＝g(ξy1)，其中：g(x)代表一元函数；5.1.5)按照与步骤5.1.1)～步骤5.1.4)相同的步骤，计算测量点a2(x2,y2)的坐标为：x2＝g(ξx2)，y2＝g(ξy2)，其中：ξx2代表测量点a2在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；ξy2代表测量点a2在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；5.2)旋转曲面基准件，使第1曲面组位于第1位置处，此时曲面ⅰ上对应的测量点为a3，曲面ⅱ上对应的测量点为a4，具体步骤与步骤5.1)相同的步骤获取测量点a3坐标a3(x3,y3)和测量点a4坐标a4(x4,y4)：x3＝g(φx3)，y3＝g(φy3)，x4＝g(φx4)，y4＝g(φy4)，其中：φx3代表测量点a3在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；φy3代表测量点a3在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；φx4代表测量点a4在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；φy4代表测量点a4在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；5.3)计算第1曲面组第1位置的旋转角，具体步骤为：5.3.1)计算位置a1(x1,y1)和位置a3(x3,y3)之间的距离：
本发明具有的优点和积极效果是：通过在曲面基准件中央安装平面反射镜，采用旋转角测量系统和激光自准直仪同步测量曲面基准件的旋转角，先针对同一曲面组的不同旋转角度进行测量，再对测量系统中使用的所有曲面组进行测量，最终得到基于不同曲面组和不同旋转角度的误差标定矩阵，为消除旋转角测量误差提供补偿数据，在旋转角测量系统进行测量工作时，根据所选用的曲面组序号和当前的测量角度使用标定出的测量误差矩阵可对测量结果进行实时的补偿以减小旋转角测量误差，提高旋转角测量系统的精度，对促进精密旋转角检测技术的发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明应用的整体结构示意图；
图2为本发明应用的局部放大示意图；
图3为本发明所标定的旋转角测量系统中的光学测头的结构示意图；
图4为本发明所标定的旋转角测量系统的测量光路示意图；
图5为本发明所标定的旋转角测量系统的测量原理示意图；
图6为本发明所标定的旋转角测量系统所采用的曲面基准件的结构示意图。
图中：1、差分光学测头；1-1、光学测头ⅰ；1-2、光学测头ⅱ；2、曲面基准件；2-1、曲面ⅰ；2-2、曲面ⅱ；3、准直光管；4、平面反射镜；5、激光器；6、孔径光阑；7、反射镜；8、分光棱镜；9、成像透镜；10、ccd相机。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图6，一种旋转角测量系统的误差标定方法，该标定方法包括安装在z轴上的差分光学测头1和曲面基准件2，在所述曲面基准件2上设有多组成对布置的曲面组，每组曲面设有一个曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2，每个曲面组内的曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2设置在同一直径上，相邻两个曲面组的中心线夹角是β，所述差分光学测头1设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头ⅰ1-1和光学测头ⅱ1-2，所述光学测头的光轴与z轴平行，所述差分光学测头1位于所述曲面基准件2的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2中心间的距离相等；所述光学测头包括激光器5、孔径光阑6、反射镜7、分光棱镜8、成像透镜9和ccd相机10，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑6缩成细直光束，细直光束经所述反射镜7后入射到所述分光棱镜8中，1/2能量的反射光束投射到曲面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜8透射后，通过所述成像透镜9成像在所述ccd相机10上；所述数据处理模块根据两个所述光学测头的ccd相机中光斑的位置，计算获得旋转轴的旋转角参数；
该标定方法采用激光自准直仪，所述激光自准直仪包括准直光管3和平面反射镜4；所述平面反射镜4垂直安装在所述曲面基准件2的轴心处，具体步骤如下：
1)通过标定得出光学测头ⅰ1-1的光轴在光学测头ⅰ1-1的ccd相机中的位置坐标o1'(x'o1,y'o1)，通过标定得出光学测头ⅱ1-2的光轴在光学测头ⅱ1-2的ccd相机中的位置坐标o'2(x'o2,y'o2)；
2)选择所述曲面基准件2中的第1曲面组作为起始标定曲面组，使所述旋转角测量系统处于标定模式；
3)调整所述曲面基准件2，使所述曲面ⅰ2-1位于光学测头ⅰ1-1的测量范围内，所述曲面ⅱ2-2位于所述光学测头ⅱ1-2的测量范围内，且所述曲面ⅰ2-1的中心线与所述光学测头ⅰ1-1的光轴平行，所述曲面ⅱ2-2的中心线与所述光学测头ⅱ1-2的光轴平行；
4)调整准直光管3，使准直光管3的光轴处于平面反射镜4中心且与平面反射镜4垂直；此时曲面基准件2位于第1曲面组的初始位置处，曲面ⅰ2-1上对应的测量点为a1，曲面ⅱ2-2上对应的测量点为a2；记录此时激光准直仪的读数和旋转角测量系统读数作为标定零点；
5)采用所述激光自准直仪和所述旋转角测量系统同步针对第1曲面组获取多个位置处的旋转角，具体步骤为：
5.1)获取第1曲面组初始位置处测量点a1坐标a1(x1,y1)和测量点a2坐标a2(x2,y2)，具体步骤为：
5.1.1)获取光学测头ⅰ1-1的ccd相机中成像光斑中心位置坐标a1'(x1',y1')；
5.1.2)将步骤5.1.1)中的光斑中心位置坐标a1'(x1',y1')转换为光斑中心距离光轴的距离s1x、s1y；
5.1.3)计算测量点a1斜率对应的角度：
ξx1＝arctan(s1x/f)/2(1)
ξy1＝arctan(s1y/f)/2(2)
其中：ξx1代表测量点a1在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
ξy1代表测量点a1在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
s1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在x轴方向距离系统光轴的距离；
s1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在y轴方向距离系统光轴的距离；
f代表成像透镜的焦距；
5.1.4)计算测量点a1(x1,y1)的坐标：
x1＝g(ξx1)(3)
y1＝g(ξy1)(4)
其中：g(x)代表一元函数；
5.1.5)按照与步骤5.1.1)～步骤5.1.4)相同的步骤，计算测量点a2(x2,y2)的坐标为：
x2＝g(ξx2)(5)
y2＝g(ξy2)(6)
其中：ξx2代表测量点a2在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
ξy2代表测量点a2在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
5.2)旋转曲面基准件2，使第1曲面组位于第1位置处，此时曲面ⅰ2-1上对应的测量点为a3，曲面ⅱ2-2上对应的测量点为a4，具体步骤与步骤5.1)相同的步骤获取测量点a3坐标a3(x3,y3)和测量点a4坐标a4(x4,y4)：
x3＝g(φx3)(7)
y3＝g(φy3)(8)
x4＝g(φx4)(9)
y4＝g(φy4)(10)
其中：φx3代表测量点a3在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
φy3代表测量点a3在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
φx4代表测量点a4在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
φy4代表测量点a4在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
5.3)计算第1曲面组第1位置的旋转角，具体步骤为：
5.3.1)计算位置a1(x1,y1)和位置a3(x3,y3)之间的距离：
5.3.2)计算位置a2(x2,y2)和位置a4(x4,y4)之间的距离：
5.3.3)计算曲面基准件2旋转的角度：
γ＝arctan((d1+d2)/d0)(13)
其中：d0代表光学测头ⅰ1-1光轴和光学测头ⅱ1-2光轴的间距；
5.4)记录激光自准直仪测得的曲面基准件2旋转角
5.5)循环重复步骤5.2)～步骤5.5)直到完成第1曲面组所有位置的测量；
5.6)汇总第1曲面组所有位置处所述旋转角测量系统测得的旋转角度γij和激光自准直仪测得的旋转角度
6)旋转曲面基准件2，进入下一个曲面组的测量，循环步骤5)；
7)循环重复步骤6)直到完成曲面基准件2的所有曲面组的所有位置的旋转角测量；
8)所述数据处理模块计算误差标定矩阵a(δij)，其中：
其中：δij为第i个曲面组第j个位置处的角度误差值；
所得的误差标定矩阵如下：
测量误差标定矩阵a(δij)的列表
9)拆除所述平面反射镜4，撤离准直光管3，使所述旋转角测量系统恢复测量模式，使旋转角测量系统检测被测旋转轴的旋转角并进行误差补偿，具体的补偿步骤如下：
9.1)所述数据处理模块获取所述旋转角测量系统t时刻测得的旋转轴的旋转角度θt；
9.2)所述数据处理模块在误差矩阵a(δij)的列表中选取与在测曲面组序号i对应的第i行误差标定数据，然后在第i行误差标定数据中选取与θt相邻的左右两组标定转角θj和θj+1所对应误差值δij和δi(j+1)，其中θj＜θt＜θj+1，通过线性差值的方法获取t时刻测量误差补偿值：
δt＝(δij+δi(j+1))/(θij+θi(j+1))(15)
9.3)对所述旋转角测量系统测量值进行补偿得到最终的测量输出值：
αt＝θt-δt(16)
本发明的应用实例：
在z轴上安装所述差分光学测头1，在与z轴平行或同轴的旋转轴上卡固所述曲面基准件2，本实例中曲面ⅰ2-1为旋转抛物面ⅰ和曲面ⅱ2-2为旋转抛物面ⅱ，将所述平面反射镜4垂直安装在所述曲面基准件2的轴心处，标定的具体步骤如下：
1)通过标定得出光学测头ⅰ1-1的光轴在光学测头ⅰ1-1的ccd相机中的位置坐标o1'(x'o1,y'o1)，通过标定得出光学测头ⅱ1-2的光轴在光学测头ⅱ1-2的ccd相机中的位置坐标o'2(x'o2,y'o2)；
2)选择所述曲面基准件2中的第1曲面组作为起始标定曲面组，使所述旋转角测量系统处于标定模式；
3)调整所述曲面基准件2，使所述曲面ⅰ2-1位于光学测头ⅰ1-1的测量范围内，所述曲面ⅱ2-2位于所述光学测头ⅱ1-2的测量范围内，且所述曲面ⅰ2-1的中心线与所述光学测头ⅰ1-1的光轴平行，所述曲面ⅱ2-2的中心线与所述光学测头ⅱ1-2的光轴平行；
4)调整准直光管3，使准直光管3的光轴处于平面反射镜4中心且与平面反射镜4垂直；此时曲面基准件2位于第1曲面组的初始位置处，曲面ⅰ2-1上对应的测量点为a1，曲面ⅱ2-2上对应的测量点为a2；记录此时激光准直仪的读数和旋转角测量系统读数作为标定零点；
5)采用所述激光自准直仪和所述旋转角测量系统同步针对第1曲面组获取多个位置处的旋转角，具体步骤为：
5.1)获取第1曲面组初始位置处测量点a1坐标a1(x1,y1)和测量点a2坐标a2(x2,y2)，具体步骤为：
5.1.1)获取光学测头ⅰ1-1的ccd相机中成像光斑中心位置坐标a1'(x1',y1')；
5.1.2)将步骤5.1.1)中的光斑中心位置坐标a1'(x1',y1')转换为光斑中心距离光轴的距离s1x、s1y；
5.1.3)计算测量点a1斜率对应的角度：
ξx1＝arctan(s1x/f)/2(17)
ξy1＝arctan(s1y/f)/2(18)
其中：ξx1代表测量点a1在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
ξy1代表测量点a1在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
s1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在x轴方向距离系统光轴的距离；
s1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在y轴方向距离系统光轴的距离；
f代表成像透镜的焦距；
5.1.4)计算测量点a1(x1,y1)的坐标：
∵旋转抛物面的面型公式为：
其中：a2为旋转抛物面的特征参数；
为得到旋转抛物面上任一点的斜率，对(19)式求一阶导数：
∴x1＝a2tanξx1(22)
y1＝a2tanξy1(23)
其中：ξx1代表测量点a1在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
ξy1代表测量点a1在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
5.1.5)按照与步骤5.1.1)～步骤5.1.4)相同的步骤，计算测量点a2(x2,y2)的坐标为：
x2＝a2tanξx2(24)
y2＝a2tanξy2(25)
其中：ξx2代表测量点a2在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
ξy2代表测量点a2在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
5.2)旋转曲面基准件2，使第1曲面组位于第1位置处，此时曲面ⅰ2-1上对应的测量点为a3，曲面ⅱ2-2上对应的测量点为a4，具体步骤与步骤5.1)相同的步骤获取测量点a3坐标a3(x3,y3)和测量点a4坐标a4(x4,y4)：
x3＝a2tanφx3(26)
y3＝a2tanφy3(27)
x4＝a2tanφx4(28)
y4＝a2tanφy4(29)
其中：φx3代表测量点a3在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
φy3代表测量点a3在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
φx4代表测量点a4在xoz平面内的切线与x轴方向的夹角；
φy4代表测量点a4在yoz平面内的切线与y轴方向的夹角；
5.3)计算第1曲面组第1位置的旋转角，具体步骤为：
5.3.1)计算位置a1(x1,y1)和位置a3(x3,y3)之间的距离：
5.3.2)计算位置a2(x2,y2)和位置a4(x4,y4)之间的距离：
5.3.3)计算曲面基准件2旋转的角度：
γ＝arctan((d1+d2)/d0)(32)
其中：d0代表光学测头ⅰ1-1光轴和光学测头ⅱ1-2光轴的间距；
5.4)记录激光自准直仪测得的曲面基准件2旋转角
5.5)循环重复步骤5.2)～步骤5.5)直到完成第1曲面组所有位置的测量；
5.6)汇总第1曲面组所有位置处所述旋转角测量系统测得的旋转角度γij和激光自准直仪测得的旋转角度
6)旋转曲面基准件2，进入下一个曲面组的测量，循环步骤5)；
7)循环重复步骤6)直到完成曲面基准件2的所有曲面组的所有位置的旋转角测量；
8)所述数据处理模块计算误差标定矩阵a(δij)，其中：
其中：δij为第i个曲面组第j个位置处的角度误差值；
所得的误差标定矩阵如下：
测量误差标定矩阵a(δij)的列表
9)拆除所述平面反射镜4，撤离准直光管3，使所述旋转角测量系统恢复测量模式，使旋转角测量系统检测被测旋转轴的旋转角并进行误差补偿，具体的补偿步骤如下：
9.1)所述数据处理模块获取所述旋转角测量系统t时刻测得的旋转轴的旋转角度θt；
9.2)所述数据处理模块在误差矩阵a(δij)的列表中选取与在测曲面组序号i对应的第i行误差标定数据，然后在第i行误差标定数据中选取与θt相邻的左右两组标定转角θj和θj+1所对应误差值δij和δi(j+1)，其中θj＜θt＜θj+1，通过线性差值的方法获取t时刻测量误差补偿值：
δt＝(δij+δi(j+1))/(θij+θi(j+1))(34)
9.3)对所述旋转角测量系统测量值进行补偿得到最终的测量输出值：
αt＝θt-δt(35)
本发明的工作原理为：
将曲面基准件和平面反射镜同时卡固在旋转轴上，当旋转轴发生旋转时，旋转角测量系统和激光自准直仪同时测得旋转轴的旋转角。以激光自准直仪的测量值为精确值对旋转角测量系统的测量值进行误差标定。选取同一曲面组和不同测量位置角度，可标定位于同一曲面组不同测量角度的测量误差。选取不同曲面组不同测量角度，可标定位于不同曲面组不同测量角度的测量误差，最终得到基于不同曲面组和不同旋转角度的误差矩阵，为消除旋转角测量误差提供补偿数据。在系统进行测量工作时，根据所选用的曲面组序号和当前的测量角度使用标定出的测量误差矩阵可对测量结果进行实时的补偿。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！