基于组合面型的数控机床直行误差辨识方法与流程

本发明涉及一种数控机床直行几何误差的辨识方法。将旋转抛物面与平面组成的一维阵列，并基于这种新型检具实现数控机床直行时位置误差与角度误差的测量。

背景技术：

数控机床作为机械制造业母机，其加工精度不足是阻碍制造业发展的主要因素。几何误差参数检测与补偿技术是提高机床加工精度的有效手段，然而目前缺少快速、高精度、低成本的机床几何运动误差检测方法，是我国机械加工行业亟待解决的关键问题之一。

激光干涉仪、跟踪仪在精度、测量范围方面具有无可比拟的优点，但是价格昂贵，对检测人员要求高。面对机床误差检测向快速化、自动化方向发展的趋势，干涉仪在调整、测量效率等方面上也略显不足。球板作为iso推荐方法之一，但是重量大，操作困难。基于激光准直方法的多自由度误差测量技术是机床几何误差检测领域的一个研究热点，一次测量能同时获得直线导轨的多项直线位移和角位移误差参数，但是难以得到定位误差，并且该方法中涉及的大气干扰、耦合误差等因素还需要进一步研究。

为解决此技术瓶颈难题，本发明拟采用角度传感器扫描旋转抛物面反射镜、平面反射镜组合阵列方式，研究直行导轨6自由度检测技术。中国专利cn109163658a提出一种标定平面镜与旋转抛物面镜组合阵列位置和角度基准的标定方法，本发明在此基础上进一步建立基于组合阵列的机床几何运动误差快速检测方案。本发明提出的组合式光学测量系统为机床直行运动误差高精度检测提供了新的方法，对于满足制造企业机床运动误差定期快速检测的需要，保持或提升数控机床加工精度，增强我国装备制造能力具有重要的理论意义和社会价值。

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基于组合面型的数控机床直行误差辨识装置及方法，该方法能实现机床直行几何误差的光学非接触检测，测量效率高，测量精度高，并能够方便和其他自由度测量系统集成，促进多自由度测量技术的发展。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：

一种基于组合面型的数控机床直行误差辨识方法，通过待测机床测量已标定的旋转抛物面与平面组合阵列基准件，直接或间接地测量数控机床直行运动时产生的6项几何误差，包括定位误差δx(x)，水平直线度误差δy(x)，垂直直线度误差δz(x)，滚转角εx(x)，偏摆角εz(x)和俯仰角εy(x)；所述的旋转抛物面与平面组合阵列基准件，包括一维基准件，以及固定在其上的多个基准靶标，每个基准靶标包括旋转抛物面和平面，旋转抛物面用以辨识位置误差，平面用以辨识角度误差，通过机床主轴带动角度传感器在一维基准件上进行测量得到直行运动产生的6项几何误差，步骤如下：

先用激光干涉仪或者比待测机床精度更高的机床标定各个基准靶标之间的相对位置与角度关系，对于每一个旋转抛物面，都存在一点使得该点处的切平面与该抛物面对应的平面平行，该点被定义为此抛物面的特征点；在基准件坐标系中，设第一个靶标的抛物面特征点坐标为(0，0)，平面二维角度为(0，0)；用高精度方法标定出其他靶标的抛物面特征点坐标与第一个抛物面特征点坐标的差值(xfi，yfi)，以及相对角度坐标(θxi，θyi)；

正式测量前，使旋转抛物面与平面组合阵列基准件尽量与机床x轴方向保持平行，在测量过程中保持旋转抛物面与平面组合阵列基准件横放固定在机床上；通过机床带动传感器测得基准件坐标系下各个靶标之间的相对位置与角度关系，其中抛物面特征点相对坐标为：(xfi′，yfi′)，相对角度坐标为：(θxi′，θyi′)；比较高精度方法标定出的相对位置与角度坐标和待测机床测量得到的相对位置与角度坐标，计算出机床在x方向运动时产生的定位误差、水平直线度误差、俯仰角误差和滚转角误差；

保持旋转抛物面与平面组合阵列基准件与机床x轴方向平行，将旋转抛物面与平面组合阵列基准件竖放固定在机床上；通过机床带动传感器测得基准件坐标系下各个靶标之间的相对位置与角度关系，其中抛物面特征点相对坐标为：(xfi″，yfi″)，相对角度坐标为：(θxi″，θyi″)；再通过与高精度方法的标定值比较，计算出机床在x方向运动时产生的垂直直线度误差和偏摆角误差。

附图说明

图1机床导轨几何误差示意图

图2单个基准靶标示意图

图3一维基准件示意图

图4各个靶标相对位置与角度示意图

图5水平测量示意图

图6垂直测量示意图

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：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于组合面型基准件的滚转角测量装置及方法，该方法能实现滚转角的光学非接触检测，测量效率高，测量精度高，并能够方便和其他自由度测量系统集成，促进多自由度测量技术的发展。

机床直行运动过程中的几何误差如图1所示，以机床沿x方向的运动为例，包括定位误差δx(x)，水平直线度误差δy(x)，垂直直线度误差δz(x)，滚转角εx(x)，偏摆角εz(x)和俯仰角εy(x)，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。

单个基准靶标结构如图2所示，靶标由平面镜和旋转抛物面镜构成，靶标直径为25mm，其中旋转抛物面直径为10mm。平面镜可以反馈角度信息，由于旋转抛物面的几何性质，其可以反馈二维位移。如图3所示，将旋转抛物面与平面组成的基准靶标以约50mm间隔安装在一维基准件上，通过机床主轴带动角度传感器在一维基准件上进行测量可以得到直行运动产生的6项自由度误差，具体步骤如下：

首先，将旋转抛物面与平面组成的基准靶标安装好后，先用激光干涉仪或者比待测机床精度更高的机床标定各个基准靶标之间的相对位置与角度关系。对于每一个旋转抛物面，都存在一点使得该点处的切平面与该抛物面对应的平面平行，该点被定义为此抛物面的特征点。如图4所示，在基准件坐标系中，设第一个靶标的抛物面特征点坐标为(0，0)，平面二维角度为(0，0)。用高精度方法标定出其他靶标的抛物面特征点坐标与第一个抛物面特征点坐标的差值(xfi，yfi)，以及相对角度坐标(θxi，θyi)。

基准件的水平测量如图5所示，正式测量前，使基准件与机床x轴方向保持平行，在测量过程中保持基准件横放固定在机床上。通过机床带动传感器测得基准件坐标系下各个靶标之间的相对位置与角度关系，其中抛物面特征点相对坐标为：(xfi′，yfi′)，相对角度坐标为：(θxi′，θyi′)。此时由于导轨滚转角的影响，使得由机床测量的相对角度θxi′与高精度方法的测量值θxi不同，则此时x方向导轨在靶标处的滚转角误差为：

εx(x)＝θxi′-θxi(1)

同理，导轨的俯仰角误差使得由机床测量的相对角度θyi′与高精度方法的测量值θyi不同，此时x方向导轨在靶标处的俯仰角误差为：

εy(x)＝θyi′-θyi(2)

导轨的x方向的定位误差使得由机床测量的相对位置xfi′与高精度方法的测量值xfi不同。由于旋转抛物面的特点，机床测量的位移差包括角误差的耦合。因此，此时x方向导轨在靶标处的定位误差为：

δx(x)＝x′fi-xfi-kεy(xfi)(3)

其中k为角度误差对位移误差产生耦合的系数，可通过标定传感器得到。导轨的x方向的水平直线度误差使得由机床测量的相对位置yfi′与高精度方法的测量值yfi不同，此时x方向导轨在靶标处的水平直线度误差为：

δy(x)＝y′fi-yfi-kεx(xfi)(4)

通过基准件在机床上的水平测量，可得到机床沿x方向直行的4项几何误差。

基准件的垂直测量如图6所示，将基准件以垂直姿态固定在机床工作台上，令其与机床x方向保持大致平行，用导轨带动传感器在x方向测量，利用机床反馈值测得一维基准件上各个基准靶标的相对位置(xfi″，yfi″)与相对角度(θxi″，θyi″)。竖放测量时，导轨的垂直直线度误差和偏摆角误差会影响到机床测量值与标定值的偏差。此时由于导轨偏摆角的影响，使得由机床测量的相对角度θyi″与高精度方法的测量值θyi不同，则此时x方向导轨在靶标处的偏摆角误差为：

εz(x)＝θ″yi-θyi(5)

导轨的x方向的垂直直线度误差使得由机床测量的相对位置yfi″与高精度方法的测量值yfi不同，此时x方向导轨在靶标处的垂直直线度误差为：

δz(x)＝y″fi-yfi-kεx(xfi)(6)

通过上述方法即可辨识出机床x导轨在直行运动时产生的6项几何误差。其他导轨如y轴、z轴滚转角误差可以依次求解得到，不再一一叙述。

本发明的原理：

本发明利用机床几何误差对机床测量基准件靶标相对位置和相对角度带来的影响，通过将相对位置和相对角度的测量值与标定值比较，可以分离出机床直行运动过程中的各项几何误差。本发明检测机床直行运动几何误差仅需要3～4小时，调整较为简单，并且可以由检测结果分离出6项原始误差，消除角度误差对位置误差产生的耦合影响。该基准件的制作较市场上主流的光学器件更为简便，具备良好的经济效益与实用价值。