一种五坐标测量机综合误差校准方法
【专利摘要】本发明涉及坐标测量机校准领域，具体为一种五坐标测量机综合误差校准方法，满足校准方式与实际检测方式一致要求，正确分析五轴综合误差对检测零件的影响，同时也是量值溯源的要求。通过合理建立坐标系，设计确定校准的空间理论位置，制定校准路径，实现空间五轴综合误差校准。本发明在四轴坐标测量机综合精度校准技术的基础上，研制设计了五轴(两个转轴、三个坐标轴)测量机综合精度校准的方案和步骤，设计建立适宜的坐标系、校准方案和校准路径，通过确定标准检测球的球心在测量空间内的各种理论位置，实现对各理论位置的实际检测，并通过理论值与实测值的比对得出五坐标测量机的综合误差值，满足校准方式与实际检测方式状态一致要求。
【专利说明】一种五坐标测量机综合误差校准方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及坐标测量机校准领域，具体为一种五坐标测量机综合误差校准方法。【背景技术】
[0002]为满足生产科研和计量检测量技术的发展需求，五坐标测量机综合精度校准已成为一项急需解决的校准技术问题。依据JJF1064—2010坐标测量机校准规范的要求,对于多轴测量机应进行综合校准精度校准，坐标测量机校准规范中规定了四轴坐标测量机综合误差的校准，即对一个水平旋转轴和三个线性坐标轴综合误差进行校准，并对四轴误差校准的具体操作方法进行了规定，确定了如何建立坐标系、构建空间理想位置、坐标转换以及实际检测的方法和步骤，并对综合径向误差、切向误差、轴向误差的评价方法进行了规定。
[0003]对于五坐标测量机综合误差的校准技术，目前还没有相关的技术文件支持，无法进行综合误差校准。由于增加了 一个旋转轴，与四轴综合误差校准方案产生了不同，五轴综合误差校准在建立坐标系时，应考虑倾斜转轴的方向，并在坐标系转换及建立空间理论位置时，应将水平旋轴绕倾斜转轴进行旋转，校准误差应包含水平和倾斜转轴不垂直带来的影响等。
[0004]研究解决五坐标测量机综合精度校准，不仅可满足国家规范的要求，使校准方式与实际检测工件的方式达到一致，同时便于正确分析五轴测量机对检测工件的整体精度影响，从而可保证产品的检测质量。因此，完成此项技术工作具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种五坐标测量机综合误差校准方法，满足校准方式与实际检测方式一致要求，正确分析五轴综合误差对检测零件的影响，同时也是量值溯源的要求。通过合理建立坐标系，设计确定校准的空间理论位置，制定校准路径，实现空间五轴综合误差校准。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]一种五坐标测量机综合误差校准方法，具体步骤如下:
[0008]I)五坐标测量机的综合误差校准设计
[0009]在五坐标测量机的转台上建立一个可随转台转动的工件坐标系，对于一台理想的五坐标测量机，转台上任一点在转至空间任意位置时，对工件坐标系来说都是不变的；若该点因空间位置改变而对其工件坐标系发生变化，说明该点偏离了工件坐标系，这是五个轴综合误差作用的结果，五轴分别为:x轴、Y轴、Z轴三个线性坐标轴和转台上两个相互垂直的转轴:水平转轴和倾斜转轴；校准方案的设计是通过测量安装在转台上的检测球心坐标值的变化，来评价五坐标测量机综合精度的校准结果；
[0010]在转台上的检测球位置误差方向是由径向、切向和轴向确定的，校准时对转台上处于空间各理想位置的检测球进行一系列测量，分别得到实际检测球与各理想位置在三个方向上的误差，并分别计算出径向误差FR、切向误差FT和轴向误差FA的最大变化范围，以此来判定该测量设备是否符合规定的最大允许误差值；
[0011]2)校准装置的建立
[0012]采用形状经校准的两标准检测球，将检测球对径安装在转台半径处，尽量靠近转台倾斜转轴的上方，高度差为Δ h ;校准时，用高球和低球分别进行校准，以误差最大的检测值作为校准结果；
[0013]3)坐标系的建立
[0014]在转台上建立一个直角工件坐标系，满足下列条件:
[0015](I)检测球心坐标定义为原点；
[0016](2)基准轴Z轴平行于水平转轴的轴线，定义为轴向；
[0017](3)第2轴X轴平行于倾斜转轴的轴线，定义为径向；
[0018](4)第3轴Y轴由Z轴和X轴确定并产生，定义为切向；
[0019]4)空间校准点的理论位置
[0020]当倾斜转轴分别处于O °、30°、60°、90°位置，水平转轴位置同时在O °~360°内间隔为30°的各理论位置；
[0021]5)校准过程
[0022]a)在五坐标测量机的测量软件上建立理论位置点:按建立的理论位置分别建立坐标系，以各个坐标系原点代替理论位置，以理论位置的径向、切向和轴向确定三个坐标轴方向；
[0023]b)在五坐标测量机上对标准检测球心坐标位置进行实际检测:
[0024]按上述建立各点坐标系即理论位置，并对标准检测球所处的实际位置进行检测，计算理想位置与实测位置的坐标差值，如果转台和坐标轴没有误差即处于理想状态，各点实际位置坐标差值应为零；若各点坐标差值不为零，则分别以三个方向上的最大最小差值作为五坐标测量机的综合误差，即径向误差、切向误差和轴向误差；
[0025]对标准球实际位置进行检测时，工作转台所处位置:倾斜角分别处于0°、30°、60°、90°位置时，水平转角处于0°~360°内间隔为30°的各角度位置；计算所有检测球中心的径向误差、切向误差和轴向误差的峰-峰值，作为三个方向上的五轴综合误差。
[0026]所述的五坐标测量机综合误差校准方法，校准分别在检测球处于高低两对径位置上进行。
[0027]所述的五坐标测量机综合误差校准方法，高度差Λ h分别为100mm、200mm、400mm、400mm.800mm 对应的转台半径 r 分别为 100mm、200mm、200mm、400mm、400mm。
[0028]所述的五坐标测量机综合误差校准方法，在转台倾角为0°时，建立Otl坐标系，X、Z轴分别平行于转台倾斜转轴和水平转轴；以Z轴为旋转轴将Otl坐标系转30°，建立新坐标系为O1 ;再以Z轴为旋转轴将O1坐标系转30°，建立新坐标系为O2 ;以同样的方法建立新坐标系03、04......011,各新建坐标系原点即为理论位置；
[0029]在转台倾角为30°时，先以倾斜转轴为轴将水平转轴和Otl坐标系同时转动30°，建立0/坐标系，再以水平转轴为轴转动坐标系30°，建立新坐标系为0/ ;倾斜转轴不动，再以水平转轴为轴转动坐标系30°，建立新坐标系为O2'，以同样的方法建立新坐标系O3'、0/......01/，各新建坐标系原点即为理论位置；
[0030]以相同的方法再分别建立转台倾斜角为60°、90°时的各空间理论位置及坐标系O
[0031]所述的五坐标测量机综合误差校准方法，校准过程具体如下:
[0032]a)使转台两轴即水平转轴和倾斜转轴处于零位，以转台上标准检测球的球心建立坐标系原点；按水平转动方向转动转台，每转30°角位对标准检测球进行检测，从整个圆周测得的标准检测球中心坐标值确定出水平转轴的矢量方向，并建立坐标系Z轴；按倾斜转动方向转动转台，以同样的方法确定出倾斜转轴的矢量方向，建立坐标系X轴；从而完成整个坐标系的建立；
[0033]b)当转台倾角处于0°时，在五坐标测量机的测量软件上进行设置，以水平转轴为轴线旋转的坐标系至水平各转角位置12个角位置，建立各理论位置的新坐标系I?12 ;然后，转动转台，当标准检测球转至理论位置时，用五坐标测量机进行实际检测，在相应的新坐标系下测得的坐标值即为综合精度校准值，分为径向误差、切向误差、轴向误差；
[0034]c)当转台倾角处于30°时，在五坐标测量机的测量软件上进行设置时，先以倾斜转轴为轴线，倾斜转动转台30°，在以水平转轴为轴线旋转的坐标系至水平各转角位置12个角位置，建立各理论位置的新坐标系I?12 ;然后，按理论位置转动转台，并用五坐标测量机进行实际检测，在相应的新坐标系下测得的坐标值即为综合精度校准值，分为径向误差、切向误差、轴向误差；
[0035]d)以相同的方法再分别校准倾斜角为60°、90°位置时，并按记录各点的径向误
差、切向误差、轴向误差；
[0036]按上述校准过程在检测球处于高位和低位分别进行一次，在所有综合精度校准值中最大径向误差、最大切向误差和最大轴向误差为最后检测结果。
[0037]本发明的优点及有益效果是:
[0038]1、本发明主要是依据JJF1064—2010坐标测量机国家校准规范,在四轴坐标测量机综合精度校准技术的基础上，研制设计了五轴(两个转轴、三个坐标轴)测量机综合精度校准的方案和步骤，设计建立适宜的坐标系、校准方案和校准路径，通过确定标准检测球的球心在测量空间内的各种理论位置，实现对各理论位置的实际检测，并通过理论值与实测值的比对得出五坐标测量机的综合误差值，满足校准方式与实际检测方式一致的要求。
[0039]2、本发明开展该校准项目，可以满足校准方式与实际检测方式一致的要求，正确分析五坐标测量机对零件检测精度的影响和量值溯源的要求，对保证复杂零件的检测质量具有重要意义。
[0040]3、目前的校准现状只是对转轴精度和坐标轴精度分别进行校准，无法给出五轴综合误差的结果。随着生产科研和计量检测技术的发展，五轴加工和测量设备越来越多，并在生产加工和计量检测技术中发挥重要的作用，准确掌握多轴坐标测量机综合误差是急需解决的一项技术问题。因此，五轴综合精度校准技术具有广泛的应用前景。
[0041]4、经验证及测量不确定度分析，本发明校准方法可以满足预期的校准要求。该校准方法是通过坐标系变换产生理论位置，并经过与实测值比对的方法完成，现已完成了现场实际校准工作，满足校准要求。目前，由于五轴测量设备越来越多，对其综合误差校准是一项急需开展的工作，因此开展五坐标测量机的综合精度校准应具有较高的经济效益。
[0042]总之，本发明主要是在四轴坐标测量机综合精度校准技术的基础上，研制设计了五轴(两个转轴、三个坐标轴)测量机综合精度校准的方案和步骤，通过理论值与实测值的比对得出五坐标测量机的综合误差值，满足校准方式与实际检测方式状态一致的要求，同时也能满足量值溯源要求，完善坐标测量机校准规范，填补无法校准五坐标测量机综合精度的空白。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1为五轴坐标测量机示意图。图中，I测量机测头；3转台；6工作台。
[0044]图2为误差方向不意图。图中，A—径向误差；B—切向误差；C一轴向误差。
[0045]图3为五坐标测量机综合精度校准示意图。图中，2检测球(高位)；7检测球(低位)。
[0046]图4为倾斜转轴的倾角为0°时校准过程示意图。图中，I测量机测头；2检测球；3转台；4水平转动方向；5倾斜转动方向。
[0047]图5为倾斜转轴的倾角为30°时校准过程示意图。
[0048]图6为倾斜转轴的倾角为60°时校准过程示意图。
[0049]图7为倾斜转轴的倾角为90°时校准过程示意图。
【具体实施方式】
[0050]本发明五坐标测量机综合误差校准方法，具体如下:
[0051]I)五坐标测量机的综合误差校准原理
[0052]如图1所示，被校准测量设备为五坐标测量机，主要由三个线性坐标轴(X轴、Y轴、Z轴)、测量机测头1、两轴转台3 (水平转轴、倾斜转轴)及工作台6等构成，测量机测头I可以沿三个线性坐标轴(X轴、Y轴、Z轴)线性移动，转台3设置于工作台6上形成旋转工作台，转台3可以沿水平转轴转动，也可以沿倾斜转轴转动。
[0053]如图2所示，五坐标测量机综合精度校准参数为径向误差A、切向误差B、轴向误差C0
[0054]如图3所示,在五坐标测量机的转台上建立一个工件坐标系(随转台转动)，对于一台理想的五坐标测量机，在工作转台进行水平和倾斜旋转时，转台上任意一点的位置对工件理想坐标系应保持不变。当某点因空间位置改变而对其工件理想坐标系发生变化时，说明该点偏离了工件坐标系，这是五个轴综合误差作用的结果，五轴分别为:三个线性坐标轴(X轴、Y轴、Z轴)和转台上两个相互垂直的转轴:水平转轴、倾斜转轴。因此，可以通过测量安装在旋转工作台上的检测球(高位)2或检测球(低位)7位置的坐标变化，来评价五坐标测量机综合精度的校准结果。
[0055]基于上述原理，安装在工作台上的检测球中心可由径向、切向和轴向三个方向确定，校准时对转台上处于空间各理想位置的检测球进行一系列测量，分别得到实际检测球与各理想位置在三个方向的误差，并分别计算出径向误差FR、切向误差FT和轴向误差FA的最大范围，以此来判定该测量设备是否符合规定的最大允许误差值。校准时，检测球位置可在高低两对径位置上分别独立进行，两检测球安装位置见图3中的检测球(高位)2和检测球(低位)7。
[0056]2)校准装置的建立
[0057]校准用的标准检具是检测球(高位)2和检测球(低位)7，采用形状经校准的标准球。
[0058]将检测球安装在旋转工作台上半径 处，尽量靠近工作台表面且在倾斜转轴上方，检测球(高位)2和检测球(低位)7的高度差为Λ h，检测球在旋转工作台上的位置如表I。检测球的安装必须足够牢固，以避免晃动或弯曲变形引起的误差，见图3。
[0059]表1
[0060]
【权利要求】
1.一种五坐标测量机综合误差校准方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)五坐标测量机的综合误差校准设计 在五坐标测量机的转台上建立一个可随转台转动的工件坐标系，对于一台理想的五坐标测量机，转台上任一点在转至空间任意位置时，对工件坐标系来说都是不变的；若该点因空间位置改变而对其工件坐标系发生变化，说明该点偏离了工件坐标系，这是五个轴综合误差作用的结果，五轴分别为:x轴、Y轴、Z轴三个线性坐标轴和转台上两个相互垂直的转轴:水平转轴和倾斜转轴；校准方案的设计是通过测量安装在转台上的检测球心坐标值的变化，来评价五坐标测量机综合精度的校准结果； 在转台上的检测球位置误差方向是由径向、切向和轴向确定的，校准时对转台上处于空间各理想位置的检测球进行一系列测量，分别得到实际检测球与各理想位置在三个方向上的误差，并分别计算出径向误差FR、切向误差FT和轴向误差FA的最大变化范围，以此来判定该测量设备是否符合规定的最大允许误差值； 2)校准装置的建立 采用形状经校准的两标准检测球，将检测球对径安装在转台半径r处，尽量靠近转台倾斜转轴的上方，高度差为Ah ;校准时，用高球和低球分别进行校准，以误差最大的检测值作为校准结果； 3)坐标系 的建立 在转台上建立一个直角工件坐标系，满足下列条件: (1)检测球心坐标定义为原点； (2)基准轴Z轴平行于水平转轴的轴线，定义为轴向； (3)第2轴X轴平行于倾斜转轴的轴线，定义为径向； (4)第3轴Y轴由Z轴和X轴确定并产生，定义为切向； 4)空间校准点的理论位置 当倾斜转轴分别处于0°、30°、60°、90°位置，水平转轴位置同时在0°~360°内间隔为30°的各理论位置； 5)校准过程 a)在五坐标测量机的测量软件上建立理论位置点:按建立的理论位置分别建立坐标系，以各个坐标系原点代替理论位置，以理论位置的径向、切向和轴向确定三个坐标轴方向； b)在五坐标测量机上对标准检测球心坐标位置进行实际检测: 按上述建立各点坐标系即理论位置，并对标准检测球所处的实际位置进行检测，计算理想位置与实测位置的坐标差值，如果转台和坐标轴没有误差即处于理想状态，各点实际位置坐标差值应为零；若各点坐标差值不为零，则分别以三个方向上的最大最小差值作为五坐标测量机的综合误差，即径向误差、切向误差和轴向误差； 对标准球实际位置进行检测时，工作转台所处位置:倾斜角分别处于0°、30°、60°、90°位置时，水平转角处于0°~360°内间隔为30°的各角度位置；计算所有检测球中心的径向误差、切向误差和轴向误差的峰-峰值，作为三个方向上的五轴综合误差。
2.按照权利要求1所述的五坐标测量机综合误差校准方法，其特征在于，校准分别在检测球处于高低两对径位置上进行。
3.按照权利要求2所述的五坐标测量机综合误差校准方法，其特征在于，高度差Λh分别为 100mm、200mm、400mm、400mm、800mm 对应的转台半径 r 分别为 100mm、200mm、200mm、400mm、400mm。
4.按照权利要求1所述的五坐标测量机综合误差校准方法，其特征在于，在转台倾角为O。时，建立Otl坐标系，X、Z轴分别平行于转台倾斜转轴和水平转轴；以Z轴为旋转轴将O。坐标系转30°，建立新坐标系为O1;再以Z轴为旋转轴将O1坐标系转30°，建立新坐标系为O2 ;以同样的方法建立新坐标系03、O4......011,各新建坐标系原点即为理论位置； 在转台倾角为30°时，先以倾斜转轴为轴将水平转轴和Otl坐标系同时转动30°，建立O0'坐标系，再以水平转轴为轴转动坐标系30°，建立新坐标系为0/ ;倾斜转轴不动，再以水平转轴为轴转动坐标系30°，建立新坐标系为O2'，以同样的方法建立新坐标系O3'、0/......01/，各新建坐标系原点即为理论位置； 以相同的方法再分别建立转台倾斜角为60°、90°时的各空间理论位置及坐标系。
5.按照权利要求1所述的五坐标测量机综合误差校准方法，其特征在于，校准过程具体如下: a)使转台两轴即水平转轴和倾斜转轴处于零位，以转台上标准检测球的球心建立坐标系原点；按水平转动方向转动转台，每转30°角位对标准检测球进行检测，从整个圆周测得的标准检测球中心坐标值确定出水平转轴的矢量方向，并建立坐标系Z轴；按倾斜转动方向转动转台，以同样的方法确定出倾斜转轴的矢量方向，建立坐标系X轴；从而完成整个坐标系的建立； b)当转台倾角处于0°时，在五坐标测量机的测量软件上进行设置，以水平转轴为轴线旋转的坐标系至水平各转角位置12个角位置，建立各理论位置的新坐标系I~12 ;然后，转动转台，当标准检测球转至理论位置时，用五坐标测量机进行实际检测，在相应的新坐标系下测得的坐标值即为综合精度校准值，分为径向误差、切向误差、轴向误差； c)当转台倾角处于30°时，在五坐标测量机的测量软件上进行设置时，先以倾斜转轴为轴线，倾斜转动转台30°，在以水平转轴为轴线旋转的坐标系至水平各转角位置12个角位置，建立各理论位置的新坐标系I~12 ;然后，按理论位置转动转台，并用五坐标测量机进行实际检测，在相应的新坐标系下测得的坐标值即为综合精度校准值，分为径向误差、切向误差、轴向误差； d)以相同的方法再分别校准倾斜角为60°、90°位置时，并按记录各点的径向误差、切向误差、轴向误差； 按上述校准过程在检测球处于高位和低位分别进行一次，在所有综合精度校准值中最大径向误差、最大切向误差和最大轴向误差为最后检测结果。
【文档编号】G01B21/00GK103591913SQ201310579454
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】王东, 张露, 王呈, 王玉 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司