基于球列实现三轴机床几何误差检测的鉴定方法与流程

本发明涉及一种三轴数控机床几何误差的辨识方法，主要是基于一维球列实现定位误差和角度误差的检测，以及基于l型球列实现垂直度误差的检测。

背景技术：

机床的误差可以定义为“机床按照某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异”。在机床的总误差中，几何误差是极为重要的一个因素，在机床加工的工件误差比例中占比近20％。提高机床的精度的方法一般有两种，一种是误差避免，即在机床设计和制造阶段消除各种误差源，但由于现代机床的结构日益复杂，误差影响因素多，使得高精度的机床制造十分困难，也提高了制造成本。另一种是误差补偿，即通过使用误差模型预测来消除误差。目前误差补偿技术已经成为一种能有效提高机床精度并具备经济效益的方法。

机床误差检测领域中，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，很难适应快速化趋势。一维球列适合各轴的直线标定，但对角度误差检测不具优势，而多轴机床各轴之间的相对误差对加工精度影响非常大。

首次提出基于一维球列实现数控机床误差检测的是天津大学精仪学院的张国雄老师，由于在张老师提出的检测方法中需要对球列进行180°的翻转，具体实验过程中要实现180°的精确翻转有所困难，因此本文在球列法的基础上对机床误差检测提出了一种新思路。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种以l型球列为检具的误差测量方法，利用它能直接或间接地测量机床21项几何误差。为此，本发明采取的技术方案是，基于球列实现三轴机床几何误差检测的鉴定方法，δ表示平移运动误差、ε表示转角运动误差，下标表示平移误差的作用方向或转角误差转动轴的方向，括号内的字母表示平移的方向，机床的21项几何运动误差：

1)沿x、y、z轴的定位误差：δx(x),δy(y),δz(z)

2)6个直线度误差：δy(x),δz(x),δx(y),δz(y),δx(z),δy(z)

3)3个滚转角误差：εx(x),εy(y),εz(z)

4)3个的俯仰误差和3个偏摆误差：εy(x),εz(x),εx(y),εz(y),εx(z),εy(z)

5)3个垂直度误差：

将陶瓷球通过连接杆安装在l型基座上，安装后通过多次摆放测量机床的21项几何误差，具体步骤如下：

(一)在制作好l型球列后，先对其进行标定并得到l型球列上各个小球之间的相对坐标关系，在l型球列坐标系中设l球列中心处球心位置坐标为(0,0,0)，用坐标机标定出球列每个球心之间的相对位置，相对位置用每个球在坐标机下的坐标减去中心处球心的坐标(xi,yi,zi)，i＝1～n-1,n为单个球列上球的个数；

(二)正式测量前，使l型球列的x轴尽量与机床的x轴方向平行，l型球列的y轴与机床y轴方向相同，在测量过程中保证l型球列固定在机床上，通过三坐标测量机的测头获得l型球列上小球在三坐标机坐标系下的坐标(xi,yi,zi)，令l球列中心处球心在三坐标机下的坐标为(x0,y0,z0)，测量出x，y轴在小球节点处的定位误差、直线度误差、俯仰和偏摆角误差，以及x、y轴之间的垂直度误差；

(三)保持l型球列与坐标机的方向不变，将球列沿着机床导轨y方向平行一段距离，平移后每个球列的坐标为：(xi',yi',zi')，进而测量出在平移前小球节点处的机床x轴的滚转角误差；

(四)使l型球列的两轴与机床的x、z轴方向，y、z轴方向平行再通过(二)(三)步骤即可测量出机床剩余误差项。

其中，利用l球列测量机床各节点的误差后，通过数据处理得到整个x轴向的误差；y、z轴误差以此类推；

将l型球列固定在机床工作台上，调整使其x轴与机床x轴平行，y轴与机床y轴平行，用坐标机测量球列各球心坐标，测量值与球心距的参考值之差即为机床定位误差，通过直线度公式和球心坐标位置获得球心节点处的直线度误差；

俯仰角和偏摆角的测量：

将球板放置在待测坐标机上，让球列的方向与坐标机x轴方向平行，用待测坐标机测得l型球列x轴方向上每个球心的坐标为(xi,yi,zi)，在不考虑安装误差的情况下，三坐标机的偏摆角反应在球列上就是待测坐标机测得的球列y坐标与球列在高精度坐标机下的y坐标之差与球x坐标的比值，则此时机床在x轴上坐标为xi处的偏摆角即导轨在y方向的角度偏差为：

俯仰角为：

如果考虑安装误差，设安装误差为α，偏摆角或俯仰角为ε，通过公式(1)、(2)计算出的角度为θ，坐标机测得的球列球心拟合直线与机床理想的x轴夹角即为安装误差α，考虑安装误差标定偏摆角和俯仰角的具体步骤如下：

1.拟合机床测得球列球心直线，算出与机床理想x轴的夹角α，即为安装误差；

2.通过实际的读数，用公式(1)或(2)计算出的角度为θ；

3.通过θ-α即可得到机床在球心位置xi处的偏摆角或俯仰角；

滚转角的测量：

滚转角偏差的测量采用球列平移的方法，平移后每个球列的坐标为：(xi',yi',zi')，假设x导轨不存在滚转角误差,y导轨和z导轨都是理想情况，那么此时待测机床测得的球列平移前和平移后的z坐标应该满足条件：zi'＝zi，假设此时机床误差只有x导轨的滚转角误差，待测机床测得该球列平移前后的z坐标之差只与x导轨的滚转角有关，机床误差只有x导轨的滚转角误差时滚转角为：

x轴的滚转角应该为y、z轴理想情况下的滚转角与y导轨的俯仰角，z导轨的偏摆角之差,x轴导轨的滚转角:

εx(xi)＝ε'x(xi)-εx(yi)-εx(zi)(4)

垂直度的测量：

以x、y轴的垂直度标定为例，通过公式(1)(2)测得每一个球列与机床理想x，y轴之间的夹角θxi,θyi，用θxi,θyi对机床所测的每一个球列进行校正后,拟合出来机床理想的x轴，y轴两条直线；拟合两个球列的直线，获得导轨的垂直度

本发明的特点及有益效果是：

l型球列检测机床误差只需1～2天即可完成，并且可以由检测结果分离出21项原始误差。l型球列制作较市场上主流的光学器件更为经济简便，l型球列自身带有直角，在测量垂直度时更加精确。

附图说明：

图1机床导轨几何误差示意图。

图2l型球列示意图图中：1-l型基座，2-连接杆，3-陶瓷球。

图3不考虑安装误差测俯仰角和偏摆角原理图。

图4考虑安装误差测俯仰角和偏摆角原理图。

图5测滚转角平移示意图。

图6测滚转角原理图。

图7测滚转角原理图。

图8测垂直度摆放示意图。

图9测垂直度原理图。

图10测垂直度原理图。

具体实施方式

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种以l型球列为检具的误差测量方法，利用它能直接或间接地测量机床21项几何误差。

本方法主要包括建立精确简便的机床误差辨识模型，设计球列的摆放位置和误差辨识步骤等，该方法原理准确，符合工程实际，且简便易行。

一般机床具有3个互相垂直的轴，在这3个轴上由导轨-滑座系统实现直线运动，一个物体在空间有6个自由度来确定其位置，这些自由度构成了3个平移和转角，所以一个物体的实际定位和方向与所期望值相比具有6个误差源。δ表示平移运动误差、ε表示转角运动误差，下标表示平移误差的作用方向或转角误差转动轴的方向，括号内的字母表示平移的方向。

综上所述，机床的21项几何运动误差：

6)沿x、y、z轴的定位误差：δx(x),δy(y),δz(z)

7)6个直线度误差：δy(x),δz(x),δx(y),δz(y),δx(z),δy(z)

8)3个滚转角误差：εx(x),εy(y),εz(z)

9)3个的俯仰误差和3个偏摆误差：εy(x),εz(x),εx(y),εz(y),εx(z),εy(z)

10)3个垂直度误差：

将陶瓷球通过连接杆安装在l型基座上，安装后通过多次摆放可以测量机床的21项几何误差，具体步骤如下：

(一)在制作好l型球列后，先对其进行标定并得到l型球列上各个小球之间的相对坐标关系，在l型球列坐标系中设l球列中心处球心位置坐标为(0,0,0)，用高精度坐标机标定出球列每个球心之间的相对位置，相对位置用每个球在高精度坐标机下的坐标减去中心处球心的坐标(xi,yi,zi)。(i＝1～n-1,n为单个球列上球的个数)。

(二)正式测量前，使l型球列的x轴尽量与机床的x轴方向平行，l型球列的y轴与机床y轴方向相同，在测量过程中保证l型球列固定在机床上。通过三坐标测量机的测头可获得l型球列上小球在三坐标机坐标系下的坐标(xi,yi,zi)(i＝0～n-1,n为单个球列上球的个数)，令l球列中心处球心在三坐标机下的坐标为(x0,y0,z0)，可以测量出x，y轴在小球节点处的定位误差、直线度误差、俯仰和偏摆角误差，以及x、y轴之间的垂直度误差。

(三)保持l型球列与坐标机的方向不变，将球列沿着机床导轨y方向平行一段距离，平移后每个球列的坐标为：(xi',yi',zi')(i＝0～n-1，n为单个球列上球的个数)，可以进而测量出在平移前小球节点处的机床x轴的滚转角误差。

(四)使l型球列的两轴与机床的x、z轴方向，y、z轴方向平行再通过(二)(三)步骤即可测量出机床剩余误差项。

本发明创新点主要在于对于机床角度误差的测量，因此对定位误差和直线度误差的测量仅进行简要介绍。

以x轴为例进行说明，y、z轴误差的测量方法与之相似，利用l球列测量机床各节点的误差后，可通过数据处理得到整个轴向的误差。

将l型球列固定在工作台上，调整使其x轴与机床x轴平行，y轴与机床y轴平行，用坐标机测量球列各球心坐标，测量值与球心距的参考值之差即为机床定位误差。通过直线度公式和球心坐标位置可以获得球心节点处的直线度误差。

俯仰角和偏摆角的测量：

将球板放置在待测坐标机上，让球列的方向与坐标机x轴方向平行，用待测坐标机测得l型球列x轴方向上每个球心的坐标为(xi,yi,zi)。在不考虑安装误差的情况下，如图3，三坐标机的偏摆角反应在球列上就是待测坐标机测得的球列y坐标与球列在高精度坐标机下的y坐标之差与球x坐标的比值，则此时机床在x轴上坐标为xi处的偏摆角(导轨在y方向的角度偏差)为：

俯仰角为：

如果考虑安装误差，设安装误差为α，偏摆角或俯仰角为ε，通过公式(1)、(2)计算出的角度为θ，坐标机测得的球列球心拟合直线与机床理想的x轴夹角即为安装误差α，这三个角的关系如图4所示。考虑安装误差标定偏摆角和俯仰角的具体步骤如下：

1.拟合机床测得球列球心直线，算出与机床理想x轴的夹角α，即为安装误差。

2.通过实际的读数，用公式(1)或(2)计算出的角度为θ

3.通过θ-α即可得到机床在球心位置xi处的偏摆角或俯仰角。

滚转角的测量：

滚转角偏差的测量采用球列平移的方法，如图5所示，平移后每个球列的坐标为：(xi',yi',zi')(i＝1～n)，假设x导轨不存在滚转角误差，y导轨和z导轨都是理想情况，那么此时待测机床测得的球列平移前和平移后的z坐标应该满足条件：zi'＝zi。假设此时机床误差只有x导轨的滚转角误差，从图6中可以看出，待测机床测得该球列平移前后的z坐标之差只与x导轨的滚转角有关

机床误差只有x导轨的滚转角误差时滚转角为：

实际上，这种情况待测机床测得该球列平移前后的z坐标之差还与y轴导轨的俯仰角和z轴导轨的偏摆角误差有关，如图7所示，所以x轴的滚转角应该为y、z轴理想情况下的滚转角与y导轨的俯仰角，z导轨的偏摆角之差,x轴导轨的滚转角:

εx(xi)＝ε'x(xi)-εx(yi)-εx(zi)(4)

垂直度的测量：

以x、y轴的垂直度标定为例，如图8所示在机床上沿x,y轴摆放l型球列，通过公式(1)(2)测得每一个球列与机床理想x，y轴之间的夹角θxi,θyi。如图9所示，用θxi,θyi对机床所测的每一个球列进行校正后,拟合出来机床理想的x轴，y轴两条直线。

如图10所示，拟合两个球列的直线，可以获得导轨的垂直度