专利名称：机床分度误差补偿方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械加工中在线原位测量系统的误差补偿。具体讲涉及机床分度误差补偿方法及装置。
背景技术：
国民经济与国防的发展对于产品的精度要求越来越高、各种形状复杂的零件所占的比重越来越大。这些高精度复杂零件加工时间长、加工费用高，不合格品带来的损失大。 在加工工艺过程中采用适当的检测装置，适时地检测加工件的各种尺寸、形状、位置参数， 对于提高加工精度，保证产品质量、防止或减少废品，具有重要意义。目前国内外广泛采用的一类加工中检测中装置，如意大利Marpose公司和我国中原量仪厂等生产的加工中测量装置，只能用于轴径、孔径、台阶高度等一些简单参数的测量。而国民经济与国防中需要加工许多复杂的零件，如发动机整体叶盘、齿轮、箱体等。这些零件形状复杂，目前国内外生产的加工中测量装置显然无能为力。对于这类复杂零件，目前最常用的方法是在生产线的两个工序间放置一些专用或通用测量仪器。在完成一个加工工序后对加工件进行较全面的检测。根据检测结果只让在上一道工序符合要求的零件进入下一道工序。发动机整体叶盘等复杂零件的原材料与前面已完成的工序加工费用都很高。如果因为某一道工序中某些局部参数不符合要求而报废是十分可惜的，应当尽可能进行返修，使之成为合格件。对于上面所述的方法，在发现某些局部参数不符合要求，要再送回原机床返修存在许多困难。一是整个工艺流程不顺，二是将工件从机床上卸下后就失去了它的安装基准，重新安装会因基准改变带来误差。为了解决这两个问题要求进行在线原位检测。有的数控机床和加工中心带有检测装置。最简单的是在加工完毕后，用机床上配置的测头检测刀具的磨损。这种方法只能发现刀具的磨损，发现不了其它加工误差。较先进的方法是，在刀具退出后，在刀具处换上测头，利用机床带动测头运动，对工件进行检测。 这种方法固然能够发现由于刀具磨损、机床振动、由于切削力引起的变形等影响，但是从原理上说它存在问题，它不能发现由于机床运动误差而产生的种种误差。刀具与测头是由同一控制系统、运动机构带动运动，机床的运动误差同时影响加工误差与测量误差。计量学的一条基本原则是检测装置应该独立于加工机床。针对上述问题，发明了一种(1)体积小，能够安装在机床旁。在机床加工原位，不卸下工件，对复杂工件进行各种尺寸、形状、位置参数全面检测的测量系统。( 具有5个自由度，可探测性强，能够对整体叶盘、异形齿轮等复杂零件进行在线原位测量。(3)重量轻，可以在必要时从机床旁移开，不影响机床各种工作。(4)能够进行扫描或点位自动测量，测量效率高。( 具有多种误差补偿措施，测量精度高。(5)具有强大的数据处理软件，对自由曲面进行拟合和重构，与被测曲面的理论模型进行比较，形成返修指令。它将在复杂零件的生产中获得广泛应用，解决国民经济与国防中许多迄今为止难以解决的问题，具有重要的学术意义和实用价值，具有重大的经济效益和社会效益。这一成果已另行申请专利。
图1是数控机床的与加工中心的一种典型布局。加工件安装在机床工作台2的转台4上，它的后方是刀架3，前方有两个辅助工位1和5，供上下料用。测量机只能安装在两个辅助工位1和5之间的狭小地带(通常只有四、五百毫米宽)内。但是这种测量系统，不管采用什么样的结构形式，只能测量接近测量机一端的某些部位。要伸到机床的后端，即刀架3的一端进行测量是很困难的。特别是对于整体叶盘等这样一些复杂零件，叶片扭转角很大，而相邻叶片间槽很窄，探针从后端伸入是非常困难的。比较现实的方法通过转动机床转台4，将需要测量的叶片或齿转到机床前端，进行测量。但是这里出现了一个新问题，转台 4的分度误差和转轴的径向与轴向运动误差影响测量结果。它违反了计量学的一条基本原则检测装置应该独立于加工机床。为了避免机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差的影响，需要有适当的方法，能够补偿上述误差。
发明内容
本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种能够避免机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差的影响，进行误差补偿的方法或装置，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，机床分度误差补偿装置，结构为圆形的标准球盘上安装有N个标准球； N个标准球安装在标准球盘的同一高度上，并均布在与标准球盘外圆同心的圆周上，标准球盘安装在机床的转台上，标准球盘的外圆与机床的转台转轴同心。标准球是钢球或陶瓷球，在球的一端打一个盲孔，在孔内镶入一根螺杆，并用胶粘死。标准球盘上设有N个球座，以沿切向均布的方式用螺钉固结在标准球盘底盘上， 球座在底盘上的径向位置和切向位置可以在螺孔允许的范围内调整，将粘结有标准球的螺杆插入球座的孔内，螺杆上在球座两边各有一个螺母，靠两个螺母将螺杆固定在球座上，其 ζ向位置与径向位置均可以在一定范围内调整。一种机床分度误差补偿方法，借助于前述机床分度误差补偿装置实现，包括下列步骤对各个标准球的位置进行调整调整的要求是(1)将各个标准球的球心调整到与底盘的外圆同心的圆上；( 将各个标准球的球心调整到同一高度H上；C3)将各个标准球的球心调整到间隔相等；将装配好的标准球盘安装在一个检测用的精密转台上，通过测量标准球盘底盘的外圆将底盘与检测用的精密转台轴线调整成同轴；然后通过检测，调整各个标准球的位置， 并通过测量标准球上某一个点的位置来进行调整；利用旁向测头测量各个标准球的等高性为此将一个旁向测头调整到测量标准球顶部的位置，在转台连续转动过程中旁向测头的示值变化表示球心高度H的变化，略微松开固定球座的两个螺母，在球座的孔与螺杆的间隙范围内调整螺杆的位置，再锁紧两个螺母，直至各个球心的高度H相等；接着在调整用的转台带动底盘转动过程中，利用旁向测头测量各个标准球的均布性。为此将一个旁向测头调整到测量标准球一侧的位置，转台每转动一个间距角Q1 = 360° /N，旁向测头进入测量球心的位置，拾取示值后退出，在N个转位的测量中旁向测头的示值变化表示球心间距角θ工的变化，略微松开螺钉，在底盘的孔与螺钉的间隙范围内调整球座的位置，再锁紧螺钉，直至各个球的间距角θ工相等，检测与调整常需反复进行；最后在调整用的转台带动底盘转动过程中，利用轴向测头测量各个标准球的球心圆的偏心，为此将一个轴向测头调整到测量标准球外端的位置，连续转动转台，轴向测头测量球心至转台中心的距离Rtl的位置。在转台带动底盘转动一圈过程中轴向测头的示值变化表示两倍的偏心，略微松开螺钉，在底盘的孔与螺钉的间隙范围内调整球座的位置，再锁紧螺钉，直至各个球至转台中心的距离R0相等，检测与调整常需反复进行；上述调整可能互相牵连，特别是标准球的均布性与偏心都是通过改变球座的位置来调整，如果螺杆上的两个螺母位置不当，也可能靠改变球座的位置无法将偏心调得很小，这时需要适当改变两个螺母在螺杆上的位置，然后再进行偏心检测和调整，在这种情况下，偏心调整与等高性的调整也会互相牵连；在完成全部调整后，将调整好的标准球盘作为一个整体安装到机床转台上，用螺钉将底盘大致固紧后，测量底盘上直径为D的外圆面、并调整整个标准球盘的位置，直至底盘的外圆面与机床转台同轴，再锁紧底盘；标准球盘安装到机床转台上，并调整到与机床转台同轴后就不再移出；零件加工完毕后，安装在机床旁的原位测量系统开始测量工件的第一个特征元素，测量完第一个特征元素后，测量某一个或几个标准球，获得球心坐标(Xl，Z1),为了便于测量工件的第二个特征元素，机床转台转过分度角9^ = 360° /n后，利用安装在机床旁的原位测量机测量同一个或同几个标准球的球心位置，设为(X2，Y2, Z2), Δζ = Z2-Z1就是在这次转动中转台4的轴向运动误差，M0 = ^x22 -^x12 +y就是在这次转动中转台4
的径向运动误差，M = arctan$-arctan+-氏就是在这次转动中转台4的转角误差，可以
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按此引入误差补偿，使测量结果不受机床转台4转动误差的影响；由于在一般情况下，标准球盘上的球数N兴n，机床转台每次转过一个分度角θ ^，而标准球盘上两个相邻球之间的角度间距是Q1 = S6CT /N，这样在机床转台转过一个分度时，下一个球不是转动到上一个球的原来位置，而是比上一个球的原来位置滞后Δ θ1 =θ re 0 = 360° (1/N-l/n)，在N<n时，Δ θ i > 0，转动后下一个球比上一个球的原来位置滞后；在N > η时，Δ θ工< 0，转动后下一个球超前于上一个球的原来位置，N与η都是已知的，通过检测标准球的路径进行正确规划，测量k个特征元素后，转台总共转过k θ ^，标准球的位置总共滞后kA θ17 |kA 0J超过一定值时，检测标准球的路径规划自动改测相邻的一个球；在机床转台4转过η个分度角θ ^后，测量机完成对整个工件的测量，测量任务结束，合乎要求的加工件通过验收，或允许其进入下一工序。对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序，进行返修。本发明的技术特点及效果1、采用本发明，可以利用机床转台的转动，将需要测量的叶片、齿转或其它部位到机床前端，测量机可以分别地对需要测量的部位进行逐个测量，而转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差又不影响测量结果。使测量符合计量学要求的独立性原则，提高测量精度。2、采用在转台转动前后测量同一个标准球的方法，可以大幅度地降低对标准球盘制造与调整精度要求。它只对标准球的球度误差、硬度、稳定性，标准球盘的直径、稳定性，标准球的球心圆与转台轴线的同心度有严格要求。所以对球度误差有严格要求，是因为虽然测量同一个球，但测量的是球上不同的点。对球的硬度、稳定性，标准球盘的稳定性有要求是为了保证长期工作稳定性。标准球的球心圆与转台轴线的偏心会使标准球的球心圆半径发生变化。其它因素，如标准球尺寸的一致性、标准球分布均勻性、等高性等，只影响调整与测量的方便性，可以降低对它们的要求。3、采用在转台转动前后测量同一个标准球的方法，可以在测量具有不同分度角θ ο的零件时，采用同样的标准球盘，对转台误差进行补偿，从而降低了标准球盘6的制造成本，避免了更换标准球盘、调整带来的麻烦。4、可以利用经过精确标定的标准球盘底盘直径D，对在线原位测量机的χ方向的零位进行标定或复核。
图1为机床的典型布局示意图。图中，1辅助工位、2机床工作台、刀架3、4转台、另一辅助工位5。图2为装有标准球盘的机床示意图。图中，6标准球盘。图3为标准球盘结构示意图。图中，31底盘、32螺钉、33球座、标准球34、35镶套在螺杆、37螺钉，螺杆35靠两个螺母36固定在球座33上，其位置可以调整。底盘31通过若干个螺钉32固定在机床的转台上，在底盘31上安装有N个球座33，这些球座均勻地分布在底盘31的一个与底盘31的外圆面同心的圆上，靠螺钉37固定在底盘31上。图4为标准球的中心高度检测与调整原理图。图中，图5为标准球均布性的检测与调整原理图。图6为标准球的球心圆的偏心检测与调整原理图。
具体实施例方式一些复杂工件的几何参数的在线原位测量系统往往难以测量整个工件。需要利用机床的转台将需要测量部分转动到测量机的前方。本发明通过检测安装在机床转台上的标准球盘上某一个或若干球的球心位置变化，对机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差进行补偿，使机床转台误差对测量结果没有影响，提高测量精度。本发明属于测试技术及仪器领域。具体讲，涉及在线测量和误差补偿技术。本发明提供了一种能够补偿机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差的技术，从而使在线原位测量系统既能利用机床转台的转动，将需要测量的叶片、齿转或其它部位到机床前端，测量机可以分别地对需要测量的部位进行逐个测量，而转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差又不影响测量结果。本发明的基本思想是在机床转台上安装一个标准球盘6，如图2所示。图2中其它符号的含义与图1相同。通过所发明的在线原位测量机(已另行申请专利)检测转台4转动前后标准球盘6上某一个或若干球的球心位置变化，检测出机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差，并对其影响进行误差补偿。它的主要特征是1.在机床转台上安装一个具有N个标准球的球盘6，如图2所示。N个标准球安装在标准球盘6的同一高度上，并均布在与标准球盘6外圆同心的圆周上。对球的基本要求是球度误差小、球径一致、硬度高、稳定性好。2.对于标准球盘6的基本要求是稳定性好、底盘外圆圆度误差小，直径经过精确标定。标准球盘6安装在机床的转台4上，利用标准球盘6的外圆将标准球盘调整到与机床的转台4同心。3.在测量零件的第一个特征元素(如整体叶盘的第一个叶片)、转台4处于第一个位置(转动前的位置)时，利用测量机测量某一个标准球A的球心位置，在以转台4的轴线与工件安装面交点为原点的坐标系中，其坐标为U1, I1, Z1)。为了测量该零件的第二个特征元素(如整体叶盘的第二个叶片)，需要将转台4转过一个分度角以整体叶盘为例，对于一个具有η个叶片的整体叶盘= /η，其中η是该整体叶盘的叶片数。4.转过分度角θ ^后，利用测量机测量同一个标准球A的球心坐标，设为(X2，y2,
ζ2) 0 Δζ = Z2-Z1就是在这次转动中转台4的轴向运动误差，Μ。=扣22”22 -^xf+yfm是在这次转动中转台4的径向运动误差，A0 = arctan$-arctan，-氏就是在这次转动中
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转台4的转角误差。可以按此引入误差补偿，使测量结果不受机床转台4转动误差的影响。5.如果机床只加工一种具有η个特征元素的零件，如具有η个叶片的叶盘，那么选择球盘6上的标准球数N = η是最方便的。这时机床转台4每转过一个分度角θ ^，球盘6上的下一个标准球转动到前一个球转动前的位置。每次转动前后测量机测量的标准球的两个位置是基本不变的。只是由于存在误差因素，标准球的两个位置会有微小变化。但是在绝大多数情况下，机床需要用于加工不同的零件，η不是固定的。对于不同η的零件更换具有不同标准球数N的球盘是很不方便的，这不仅因为球盘造价较高，每次更换加工件后，重新安装标准球盘6也很不方便。N兴η时，机床转台4每次转过一个分度角θ ^，而标准球盘6上两个相邻球之间的角度间距是Q1 = 360° /N。这样在机床转台4转过一个分度时，下一个球不是转动到上一个球的原来位置，而是比上一个球的原来位置滞后Δ Q1 = O1-O0=360° (l/N-1/n)。在N < η时，Δ θ工> 0，转动后下一个球比上一个球的原来位置滞后；在Ν>η时，Δ Q1CO,转动后下一个球超前于上一个球的原来位置。由于N与η都是已知的，可以通过对测量机检测标准球的路径进行正确规划，使测量机正确地测量下一个球。测量k个特征元素后，转台4总共转过I^tl，标准球的位置总共滞后kA 01O kA Q1太大时，会影响对标准球的正确检测，需要改测相邻的一个球，在进行测量机检测标准球的路径规划时需要考虑这一因素。6.标准球盘6上的球数N太大，不仅会使标准球盘6的制造成本加大，也会使标准球的位置调整变得困难。此外，N太大也会使相邻标准球挨得很近，给探测增加困难，所以N不宜太大。但是N太小时，两个相邻标准球隔得很远，给探测带来困难。一般可以推荐，测量机在它的量程内能够探测到3个相邻标准球，是比较合适的，可以按此来选择标准球盘6上的球数。7.应该说，测量机探测一个标准球在转台4转位前后的位置，即能满足转台误差补偿的要求。但是也常同时探测两个或更多标准球在转台4转位前后的位置。同时探测两个或更多标准球的好处是(1)提高测量结果的置信度；( 减小测量随机误差的影响，提高测量精度；(3)根据同时探测两个或更多标准球在转台4转位前后的位置，还可以获得转台4的转轴绕χ与y轴的倾摆角运动误差。严格地讲，被测件的一个特征元素在χ与y方向有一定分布范围，在不同的点转台4的轴向运动误差与径向运动误差是不同的。在测得转台4的转轴绕χ与y轴的倾摆角运动误差后，可以算出特征元素的各个点处转台4的轴向运动误差与径向运动误差。但是一般说一个特征元素在χ与y方向的分布范围有限，可以认为它们的轴向运动误差与径向运动误差差别很小。8.图3是标准球盘结构示意图。图中31是标准球盘的底盘，它是一个圆环。它的内径d和外径D根据在机床转台上安装的方便确定。它应有一定厚度h，以防止热处理时发生变形。底盘31通过若干个螺钉32固定在机床的转台上，并调整到与机床转台同轴。在底盘31上安装有N个球座33，这些球座均勻地分布在底盘31的一个与底盘31的外圆面同心的圆上，靠螺钉37固定在底盘31上，其位置可以调整。标准球34镶套在螺杆35上，并用胶粘死。螺杆35靠两个螺母36固定在球座33上，其位置可以调整。选择标准球34的高度H及其球心圆直径Dtl应该考虑探测这些标准球的方便，同时不要影响工件的加工与测量加工件。9.图4 6分别是检测和调整标准球中心等高性、偏心与均布性的原理图。本发明的目的在于为在线原位测量系统提供一种机床转台误差补偿技术。对于叶盘、异形齿轮等复杂零件，测量机很难从机床后端伸入零件槽内进行测量，比较现实的方法是利用机床转台的转动，将需要测量的叶片、齿转或其它部位到机床前端，测量机可以分别地对需要测量的各个部位进行逐个测量。本发明能够补偿转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差，使它们不影响测量结果。本发明的实施方式如下。1.根据测量机能够覆盖的测量范围，适当选择标准球盘上的球数N。2.加工N个球度误差小、球径差别小的标准球34(图幻。对于标准球34的材料要求是硬度高、性能稳定、便于加工，可以是钢或陶瓷。在球的一端打一个盲孔，在孔内镶入一根螺杆；35，并用胶粘死。3.将N个球座33以沿切向均布的方式，用螺钉37固结在底盘31上，如图3所示。球座33底盘31上的径向位置和切向位置可以在螺孔允许的范围内调整。 4.将粘结有标准球34的螺杆35插入球座33的孔内，螺杆35上在球座两边各有一个螺母36，靠两个螺母36将螺杆35固定在球座33上，其ζ向位置与径向位置均可以在一定范围内调整。5.在将标准球盘装配成图3所示整体结构后，需要对各个标准球34的位置进行调整。调整的要求是(1)将各个标准球34的球心调整到与底盘31的外圆同心的圆上；(2)将各个标准球；34的球心调整到同一高度H上；( 将各个标准球34的球心调整到间隔相等。这三条要求第一条是最主要的，因为将标准球盘装到机床转台上后，通过测量底盘31的外圆面，将底盘31的外圆面调整到与机床转台同轴，从而保证各个标准球34的球心圆与机床转台同轴。各个标准球34的球心圆与机床转台轴线之间的偏心，会引起各个标准球34的球心圆半径随转角而变化，产生测量误差。而标准球34的球心等高与均布对测量结果没有直接影响。只是在等高与均布情况下测量更为方便，更容易让所有测量点均在测量机的线性范围内。6.将按图3装配好的标准球盘安装在一个检测用的精密转台上(图4)，通过测量底盘31的外圆将底盘31与检测用的精密转台轴线调整成同轴。然后通过检测，调整各个标准球34的位置。按理说，由于各项调整要求是针对的球心位置提出的，检测时也应该检测各个球心的位置。但是检测一个球心的位置，至少需要检测球面上不在同一个平面上的34个点的位置。这些点需要从不同方向去探测，要求采用三维测头，三维测头的测量不确定度比一维测头大。对标准球的球心圆的同心、等高、均布三项要求的调整互相有牵连。如果通过检测各个球心的位置来进行调整，整个调整过程很麻烦。如果各个标准球的球度误差很小、球径差别也很小，那么完全可以通过测量球面上某一个点的位置来确定球心的位置，使调整过程得到简化。标准球的球度误差小、球径一致性好是不难实现的，建议采用球度误差小、球径一致性好的标准球，然后通过测量某一个点的位置来进行调整。7.首先在转台带动底盘31转动过程中，利用旁向测头测量各个标准球34的等高性。为此将一个旁向测头调整到测量标准球顶部的位置，如图4所示。在转台连续转动过程中旁向测头的示值变化表示球心高度H的变化。略微松开两个螺母36，在球座33的孔与螺杆35的间隙范围内调整螺杆35的位置，再锁紧两个螺母36，直至各个球心的高度H相等。检测与调整常需反复进行。对等高性的调整精度要求不高，它不直接影响误差补偿精度，只是要求在将标准球盘装到机床转台上后，各个球的高度都在在线原位测量机的测量范围内即可。8.接着在调整用的转台带动底盘31转动过程中，利用旁向测头测量各个标准球34的均布性。为此将一个旁向测头调整到测量标准球一侧的位置，如图5所示。转台每转动一个间距角Q1 = 360° /N，旁向测头进入测量球心的位置，拾取示值后退出。在N个转位的测量中旁向测头的示值变化表示球心间距角9工的变化。略微松开螺钉37，在底盘31的孔与螺钉37的间隙范围内调整球座33的位置，再锁紧螺钉37，直至各个球的间距角θ工相等。检测与调整常需反复进行。对均布性的调整精度要求不高，它不直接影响误差补偿精度，只是要求在将标准球盘装到机床转台上后，各个球的位置都在原位测量机的测量范围内即可。9.最后在调整用的转台带动底盘31转动过程中，利用轴向测头测量各个标准球34的球心圆的偏心。为此将一个轴向测头调整到测量标准球外端的位置，如图6所示。连续转动转台，轴向测头测量球心至转台中心的距离Rtl的位置。在转台带动底盘31转动一圈过程中轴向测头的示值变化表示两倍的偏心。略微松开螺钉37，在底盘31的孔与螺钉37的间隙范围内调整球座33的位置，再锁紧螺钉37，直至各个球至转台中心的距离Rtl相等。检测与调整常需反复进行。对同轴度的调整精度要求高，因为它直接影响误差补偿精度，需要仔细进行。10.上述调整可能互相牵连，特别是标准球的均布性与偏心都是通过改变球座33的位置来调整。如果螺杆35上的两个螺母36位置不当，也可能靠改变球座33的位置无法将偏心调得很小，这时需要适当改变两个螺母36在螺杆35上的位置，然后再进行偏心检测和调整。在这种情况下，偏心调整与等高性的调整也会互相牵连。建议一是将偏心调整放在最后，这样即使它会影响球心的均布性与等高性，但因为对于后面两项的调整精度要求不高，可能三项调整都仍然能够处在合乎要求范围内。其次，在三项调整都进行完毕后，需要再一次进行检测，以检验三项调整是否都处在合乎要求范围内。11.在完成全部调整后，将调整好的标准球盘作为一个整体安装到机床转台上。用螺钉32(图幻将底盘31大致固紧后，测量底盘31上直径为D的外圆面、并调整整个标准球盘的位置，直至底盘31的外圆面与机床转台同轴，再锁紧底盘31。这一偏心直接影响误差补偿精度，因此要求较高。12.从原理上说，应该将标准球盘直接固结在机床转台上，这时只需要一个标准球盘。在将标准球盘直接固结在机床转台上有困难时，可以将标准球盘固结在加工零件时用的夹具上，然后与夹具一起固结在机床转台上。在这种情况下，在整个加工一批零件过程中，标准球盘与夹具应该始终固定在一起，它们的相对位置不变。在不少机床上，采用两个夹具。零件加工完毕后，夹具与加工完的零件一起送到辅助工位，在那里将零件卸下。而另一辅助工位上，另一个夹具上已经装好待加工的件，进入加工。在这种情况下，需要两个标准球盘，分别装在两个夹具上。13.标准球盘安装到机床转台上，并调整到与机床转台同轴后就不再移出。在零件加工过程中，虽然它不参与工作，但处于加工环境下，要经受振动、冷却液、切屑的影响，要求加工环境对标准球盘性能没有影响。14.零件加工完毕后，安装在机床旁的原位测量系统开始测量工件的第一个特征元素，例如第一个叶片。测量完第一个特征元素后，测量某一个(或几个)标准球，如图2中的球A，获得它的球心坐标(Xl，Yl, Z1) 0为了便于测量工件的第二个特征元素，机床转台转过分度角9^ = 360° /n后，利用安装在机床旁的原位测量机测量同一个(或同几个)标准球A的球心位置，设为(X2，y2, z2) 0 Δζ = Z2-Z1就是在这次转动中转台4
的轴向运动误差，M0 = ^x22 +_y22 -^x12 +y就是在这次转动中转台4的径向运动误差，A0 = arctan$-arctan+-氏就是在这次转动中转台4的转角误差。可以按此引入误差补
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偿，使测量结果不受机床转台4转动误差的影响。15.由于在一般情况下，标准球盘上的球数N Φ η，机床转台4每次转过一个分度角θ ^，而标准球盘6上两个相邻球之间的角度间距是Q1 = 360° /N，这样在机床转台4转过一个分度时，下一个球不是转动到上一个球的原来位置，而是比上一个球的原来位置滞后Δ θι= O1-O 0 = 360° (l/N-1/n)。在N < η时，Δ θ i > 0，转动后下一个球比上一个球的原来位置滞后；在N > η时，Δ θ工< 0，转动后下一个球超前于上一个球的原来位置。N与η都是已知的，需要通过对测量机检测标准球的路径进行正确规划，使测量机正确地测量下一个球。测量k个特征元素后，转台4总共转过I^tl，标准球的位置总共滞后k Δ θ10
kA 0J超过一定值时，检测标准球的路径规划自动改测相邻的一个球。16.在机床转台4转过η个分度角θ ^后，测量机完成对整个工件的测量，测量任务结束，合乎要求的加工件通过验收，或允许其进入下一工序。对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序，进行返修。
权利要求
1.一种机床分度误差补偿装置，其特征是，结构为圆形的标准球盘上安装有N个标准球；N个标准球安装在标准球盘的同一高度上，并均布在与标准球盘外圆同心的圆周上，标准球盘安装在机床的转台上，标准球盘的外圆与机床的转台转轴同心。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是，标准球是钢球或陶瓷球，在球的一端打一个盲孔，在孔内镶入一根螺杆，并用胶粘死。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是，标准球盘上设有N个球座，以沿切向均布的方式用螺钉固结在标准球盘底盘上，球座在底盘上的径向位置和切向位置可以在螺孔允许的范围内调整，将粘结有标准球的螺杆插入球座的孔内，螺杆上在球座两边各有一个螺母，靠两个螺母将螺杆固定在球座上，其ζ向位置与径向位置均可以在一定范围内调整。
4.一种机床分度误差补偿方法，借助于前述机床分度误差补偿装置实现，包括下列步骤对各个标准球的位置进行调整调整的要求是(1)将各个标准球的球心调整到与底盘的外圆同心的圆上；( 将各个标准球的球心调整到同一高度H上；C3)将各个标准球的球心调整到间隔相等；将装配好的标准球盘安装在一个检测用的精密转台上，通过测量标准球盘底盘的外圆将底盘与检测用的精密转台轴线调整成同轴；然后通过检测，调整各个标准球的位置，并通过测量标准球上某一个点的位置来进行调整；利用旁向测头测量各个标准球的等高性为此将一个旁向测头调整到测量标准球顶部的位置，在转台连续转动过程中旁向测头的示值变化表示球心高度H的变化，略微松开固定球座的两个螺母，在球座的孔与螺杆的间隙范围内调整螺杆的位置，再锁紧两个螺母，直至各个球心的高度H相等；接着在调整用的转台带动底盘转动过程中，利用旁向测头测量各个标准球的均布性。 为此将一个旁向测头调整到测量标准球一侧的位置，转台每转动一个间距角Q1 = S6CT / N，旁向测头进入测量球心的位置，拾取示值后退出，在N个转位的测量中旁向测头的示值变化表示球心间距角θ工的变化，略微松开螺钉，在底盘的孔与螺钉的间隙范围内调整球座的位置，再锁紧螺钉，直至各个球的间距角θ工相等，检测与调整常需反复进行；最后在调整用的转台带动底盘转动过程中，利用轴向测头测量各个标准球的球心圆的偏心，为此将一个轴向测头调整到测量标准球外端的位置，连续转动转台，轴向测头测量球心至转台中心的距离R0的位置。在转台带动底盘转动一圈过程中轴向测头的示值变化表示两倍的偏心，略微松开螺钉，在底盘的孔与螺钉的间隙范围内调整球座的位置，再锁紧螺钉，直至各个球至转台中心的距离R0相等，检测与调整常需反复进行；上述调整可能互相牵连，特别是标准球的均布性与偏心都是通过改变球座的位置来调整，如果螺杆上的两个螺母位置不当，也可能靠改变球座的位置无法将偏心调得很小，这时需要适当改变两个螺母在螺杆上的位置，然后再进行偏心检测和调整，在这种情况下，偏心调整与等高性的调整也会互相牵连；在完成全部调整后，将调整好的标准球盘作为一个整体安装到机床转台上，用螺钉将底盘大致固紧后，测量底盘上直径为D的外圆面、并调整整个标准球盘的位置，直至底盘的外圆面与机床转台同轴，再锁紧底盘；标准球盘安装到机床转台上，并调整到与机床转台同轴后就不再移出； 零件加工完毕后，安装在机床旁的原位测量系统开始测量工件的第一个特征元素，测量完第一个特征元素后，测量某一个或几个标准球，获得球心坐标U1, Y1, Z1),为了便于测量工件的第二个特征元素，机床转台转过分度角9^ = 360° /n后，利用安装在机床旁的原位测量机测量同一个或同几个标准球的球心位置，设为U2，Y2, Z2), Δζ = Z2-Z1就是在这次转动中转台4的轴向运动误差，M。=W2 -^x12+W就是在这次转动中转台4的径向运动误差，M = arctan$-arctan+-氏就是在这次转动中转台4的转角误差，可以按此X2X1引入误差补偿，使测量结果不受机床转台4转动误差的影响；由于在一般情况下，标准球盘上的球数N兴n，机床转台每次转过一个分度角θ ^，而标准球盘上两个相邻球之间的角度间距是θ i = 360° /N，这样在机床转台转过一个分度时，下一个球不是转动到上一个球的原来位置，而是比上一个球的原来位置滞后Δ θ1 = θ r 6 0 = 360° (1/N-l/n)，在N<n时，Δ θ i > 0，转动后下一个球比上一个球的原来位置滞后；在N > η时，Δ θ工< 0，转动后下一个球超前于上一个球的原来位置，N与η都是已知的，通过检测标准球的路径进行正确规划，测量k个特征元素后，转台总共转过k θ ^，标准球的位置总共滞后kA θ17 |kA 0J超过一定值时，检测标准球的路径规划自动改测相邻的一个球；在机床转台4转过η个分度角θ ^后，测量机完成对整个工件的测量，测量任务结束， 合乎要求的加工件通过验收，或允许其进入下一工序。对偏离技术要求的，计算返修量，并形成返修加工程序，进行返修。
全文摘要
本发明涉及机械加工中在线原位测量系统的误差补偿。提供一种能够避免机床转台分度误差和转轴的径向与轴向运动误差的影响，进行误差补偿的方法或装置，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，机床分度误差补偿装置，结构为圆形的标准球盘上安装有N个标准球；N个标准球安装在标准球盘的同一高度上，并均布在与标准球盘外圆同心的圆周上，标准球盘安装在机床的转台上，标准球盘的外圆与机床的转台转轴同心。本发明主要应用于机械量加工测量。
文档编号B23Q16/02GK102554701SQ20121005843
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者刘书桂, 张国雄, 李杏华, 裘祖荣, 马艳玲 申请人:天津大学