專利名稱：三維步距規(guī)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測定空間定位精度的裝置，具體為一種三維步距規(guī)，它尤其適用于測定數(shù)控機床(或其它數(shù)控設備)在其工作空間中的一系列離散點上的三維定位精度。
背景技術：
數(shù)控設備的基本功能之一，是按照數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)準確的相對運動和準確的定位。運動精度和定位精度(統(tǒng)稱為幾何精度)是數(shù)控設備最重要的性能指標，追求高幾何精度始終是推動數(shù)控技術發(fā)展的動力之一。
目前，全世界數(shù)控機床或其它數(shù)控設備的擁有量和生產(chǎn)量與日俱增。數(shù)控設備，特別是中、低檔設備，因為初始制造誤差或在運行過程中的磨損而導致的精度喪失和精度惡化對它們的工作性能與生產(chǎn)質(zhì)量造成了嚴重影響；而及時地檢定、有效地補償或修復這種誤差，以恢復和提高其工作性能，實屬迫切需要的技術措施。其所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益是無法估計的。
我國數(shù)控機床的擁有量和進口量均已達世界第二位。與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國機床的制造精度不高，精度保持性欠佳，而機床的服役期又往往較長，精度喪失嚴重。因此，上述精度檢定、補償或修復技術對我國具有特別重要的意義。
目前，可用于檢測數(shù)控機床單軸定位精度的儀器主要有光柵尺、激光干涉儀和線性步距規(guī)等。檢測二維(平面)定位精度的儀器主要有平面光柵和球桿儀等；其中前者的檢測范圍有限，而后者只能測定沿一個圓周軌跡運動時的徑向誤差。以上儀器都不能檢測數(shù)控設備的三維工作空間中的三維定位誤差；須知，即使分別測定了數(shù)控機床的三根軸上的定位誤差，或者測定了某幾個平面上的二維定位誤差，也并不等于掌握了該機床在三維空間中的三維定位誤差?？墒牵瑸榱藢?shù)控機床或其它數(shù)控設備的幾何誤差進行完整的補償或修復，就必須了解它在三維空間中的三維定位誤差。為了測定這種誤差，需要專門的儀器。目前針對這一目的的測試儀器主要有各種專用的激光檢測設備。這些設備都屬于精密、貴重儀器，操作也相當復雜，不適合用于檢測大量中、低檔數(shù)控設備的精度，也不便于在生產(chǎn)車間條件下使用。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述不足之處，提供一種三維步距規(guī)，它可以簡便地測定數(shù)控設備的工作空間內(nèi)一系列離散點上的三維定位精度，適合于在生產(chǎn)車間條件下檢測中、低檔數(shù)控設備的幾何精度，是一種普及型的檢測工具。
本實用新型提供的一種三維步距規(guī)，包括底板、組合傳感器和n個三棱錐或三棱臺，n為大于2的自然數(shù)；底板下裝有三個支撐點，底板上有三條基準邊，其中二條基準邊平行于三個支撐點所確定的平面；三棱錐或三棱臺均固定在底板上，其中一個三棱錐作為檢測和標定的基準，所有三棱錐或三棱臺上均標有坐標位置及其工作面的方向系數(shù)；組合傳感器由三個并聯(lián)的微位移傳感器構成，用于在數(shù)控機床上分別測定對應于各指令位移的實際位移相對于各三棱錐或三棱臺的空間位置偏差。
本實用新型以三棱錐或三棱臺作為空間幾何點的“物化”；以固定在剛性基板或框架上的一系列這樣的三棱錐或三棱臺代表空間的離散點系；由三個并聯(lián)的微位移傳感器(電感或電容傳感器，或其它傳感器)構成組合傳感器，在精密坐標測量機、精密數(shù)控機床(或其它專用的精密標定設備)上標定各個三棱錐或三棱臺的空間坐標及其空間取向；以同一個組合傳感器在數(shù)控機床上分別測定對應于各指令位移的實際位移相對于各三棱錐或三棱臺的空間位置偏差，即可測定該數(shù)控機床在諸離散點處的三維定位精度。采用本實用新型可對數(shù)控機床的幾何精度進行評定，進而對其幾何誤差進行建模、補償或修復。本實用新型適合于在生產(chǎn)車間條件下檢測中、低檔數(shù)控設備的幾何精度，是一種普及型的檢測工具。


圖1為機床定位誤差示意圖。
圖2為定位誤差的相對性及相對誤差的合成。
圖3為本實用新型的基礎技術之一——微位移傳感器對于傾斜平面的測量。
圖4為本實用新型的基礎技術之二——作為空間點的“物化”的位標三棱錐以及組合傳感器對于位標三棱錐的空間位置的檢測和三向位置偏差的測算。
圖5為所發(fā)明三維步距規(guī)的外觀和結構特點。
圖6為機床工作臺面相對于其X-Y坐標平面的平行度的檢測曲線示意圖，此圖用于補償由于機床工作臺面與其X-Y坐標平面不平行所帶來的檢測誤差。
圖7為位標三棱錐群(檢測點系)在空間不同分布方式的幾種設計實例。
具體實施方式
本實用新型用于檢測數(shù)控設備在離散點系上的定位誤差。本文中的“三維”一詞有兩方面的含義第一，是指上述“離散點系”是在數(shù)控設備工作空間中作三維分布的點系；第二，對于點系中的每一點，均可測得該處的三維定位誤差向量。
以下結合附圖從幾個方面對本實用新型作進一步詳細的說明。
1、數(shù)控機床的定位誤差如圖1所示，數(shù)控機床工作空間內(nèi)的某一指令位置記為P＝(xi+yj+zk)，而對應的實際位置記為Pr＝(xri+yrj+zrk)，則該處的定位誤差E＝(Exi+Eyj+Ezk)定義為實際位置和指令位置之間的向量差E＝Pr-P+ε (1)式中ε＝(εxi+εyj+εzk)為隨機誤差。盡管所發(fā)明的裝置也具有檢測隨機定位誤差的能力，但機床的誤差補償或修復主要是針對可以重復的系統(tǒng)性誤差。因此，先略去隨機誤差，得E＝Pr-P (2)
此向量式實際上包含三個標量公式Ex=xr-xEy=yr-yEz=zr-z----(3)]]>此項發(fā)明的目的是檢測與各指令點P＝(xi+yj+zk)相對應的實際位置Pr＝(xri+yrj+zrk)，從而確定與該指令相對應的定位誤差E＝(Exi+Eyj+Ezk)。
關于定位誤差E有兩點說明第一，各個軸上的反向間隙(或失動量)被認為已經(jīng)采取硬件措施加以消除，或者，以軟件方法加以補償，因而不包括在定位誤差E中；第二，這里的E是各種誤差成分綜合作用的終端效應。如果是出于誤差補償?shù)哪康模澜K端誤差也就夠了(如果需要分析誤差的各種來源，也可以基于一定的數(shù)學模型及補充檢測數(shù)據(jù)，從所測得的一系列點處的終端定位誤差反求出各種誤差成分來)。
2、定位誤差的性質(zhì)定位誤差E具有以下與本實用新型有關的性質(zhì)第一，位置依賴性定位誤差是工作空間中指令點位置P的函數(shù)，因此，定位誤差是指令空間中的位場E＝E(P)即，定位誤差E只與指令點的位置有關，而與趨近該點的路線和方向無關；第二，連續(xù)性定位誤差E是指令點位置P的連續(xù)函數(shù)，因此，指令位置的微小變化ΔP只引起定位誤差ΔE的微小變化；第三，相對性指令位置P實際上對應于從某一起始點O到終點P的指令位移OP，而P處的定位誤差E則是相對于起始點O而言，記為EOP，見圖2。一般以數(shù)控機床的零點(即坐標原點O)為起始點，該點的定位誤差設為E(O)＝0。如果有某點O′相對與坐標原點O的定位誤差為EOO′，而P點相對于O′點的定位誤差為EO′P，則P點相對于坐標原點O點的定位誤差為EOP＝EOO′+EO′P。這一關系與位移向量關系OP＝O′P+OO′是一致的。
以上諸性質(zhì)已由大量實測數(shù)據(jù)所證實，它們與本實用新型工作原理密切相關。
3、微位移的測量圖3a中A為某空間傾斜平面，它在X-Z和Y-Z坐標平面中的截線與X-Y平面的夾角分別為αA和βA(分別見圖3b和3c)。微位移傳感器(可以是電感傳感器、電容傳感器或其他類型的傳感器；可以是接觸式傳感器，也可以是非接觸式傳感器)沿Z軸布置，對準A平面上的P點，可以感知傳感器相對于A平面在Z軸方向的位移。設傳感器1相對A平面在X、Y和Z軸方向同時有Ex、Ey和Ez的微位移，則傳感器的讀數(shù)的變化為δA＝AxEx+AyEy+Ez(4)式中，Ax＝tanαA，Ay＝tanβA?？梢姡灰狝x≠{0，∞}而且Ay≠{0，∞}，則傳感器1相對A平面在X、Y和Z任何一個方向上的微位移Ex、Ey或Ez均會引起傳感器的讀數(shù)的變化?？墒菃螐囊粋€傳感器讀數(shù)的變化值δA不能區(qū)分這一變化是由于哪個方向的微位移引起的，即無法從其中辨識出Ex、Ey和Ez來。為了解決這一問題，需要采用由多個微位移傳感器構成的組合傳感器同時對多個傾斜平面進行檢測，并采用誤差分離技術分解出各個方向的微位移來。
4、位標三棱錐、組合傳感器和誤差分離技術如圖4所示，以組合傳感器1中的三個微位移傳感器1A、1B和1C分別對一個三棱錐2的三個傾斜工作平面A、B、C進行檢測，其檢測點分別為PA、PB和PC。如果組合傳感器1(作為一個整體)相對于三棱錐(本實用新型稱之為位標三棱錐)分別在X、Y和Z軸方向上發(fā)生Ex、Ey或Ez的微位移(即位置偏差)，則1A、1B和1C三個傳感器讀數(shù)的變化可分別以下列三式表示δA=AxEx+AyEy+EzδB=BxEx+ByEy+EzδC=CxEx+CyEy+Ez----(5)]]>式中，Ax＝tanαA，Ay＝tanβA；Bx＝tanαB，By＝tanβB；Cx＝tanαC，Cy＝tanβC。式中，αA，βA，αB，βB，αC，βC分別是A、B、C平面在X-Z和Y-Z坐標平面中的截線與X-Y平面的夾角(參見圖3a和3b)。式5也可用下式表達
{δ}＝[T]{E} (6)式中{δ}＝[δAδBδC]T(7){E}＝[ExEyEz]T(8)[T]=AxAy1BxBy1CxCy1]]>使用時，組合傳感器裝在機床主軸上(主軸鎖死，不可轉(zhuǎn)動)；檢測時，組合傳感器中的三個微位移傳感器分別與三棱錐各個工作表面接觸，以此測定數(shù)控設備空間運動量相對于每一個位標三棱錐的三維位置偏差，從而測定設備的定位精度。
在δA、δB、δC，Ax、By，Bx、By及Cx、Cy，已知的條件下，上式作為一個聯(lián)立線性方程組，可以解出微位移Ex、Ey和Ez，即Ex=D11δA+D12δB+D13δCEy=D21δA+D22δB+D23δCEz=D31δA+D32δB+D33δC]]>即{E}＝[D]{δ}式中{E}，{δ}同式8，式7[D]=D11D12D13D21D22D23D31D32D33=AxBxCx]]>這就是本實用新型檢測某一個點上的三維定位精度的基本原理。這里三棱錐稱為位標三棱錐。三個微位移傳感器分別在位標三棱錐的三個工作平面上所測得的Ex、Ey、Ez就代表了該位標三棱錐中心處的定位誤差。
位標三棱錐的各個工作平面的傾斜角度αA，βA，αB，βB，αC，βC的確定主要考慮兩方面的問題，一是使儀器對于X和Y方向的位移具有和Z方向的位移大體相近的靈敏度；另一方面是控制測頭所受的橫向力，勿使其太大。按此，上述角度一般取在35°～45°之間。
5、三維步距規(guī)的設計如圖5所示，三維步距規(guī)包含一個底板3，在其上布置有一系列位標三棱錐2i，i＝1，2，…，n，作為定位的基準和“物化”的空間點。位標三棱錐的數(shù)目視檢測空間的大小和測點密度而定。檢測或標定時，作為基準的三棱錐21對應于機床的坐標零點或?qū)谶x擇作為計量定位誤差的某個起點。
為了安全起見，錐尖可截去，成為三棱臺。位標三棱錐的個數(shù)n可視底板的大小和檢測點系的密度要求確定。在底板3下裝有三個支撐點L1、L2、L3，以便在機床工作臺上確定地定位。
在底板3上制有三條基準邊N1、N2、N3，其中N1在檢測時須調(diào)整到平行于機床的X軸，而N2、N3在制造時應平行于由步距規(guī)的三個支撐點L1、L2、L3所確定的平面S(圖5)?；鶞蔬匩1、N2、N3作為檢測時調(diào)整和補償?shù)幕鶞?N2、N3在的具體作用見后述)。
三維步距規(guī)的測量精度主要靠精確的標定來保證，而基本上不依賴其制造精度。三棱錐的尺寸和形狀精度并不重要，惟要求其三個工作面平整、光潔，并且要牢固地安裝在底板3上(采用黏結或其它固定方式)，安裝時須使其一個底邊大致平行于X軸。三條基準邊N1、N2、N3要求平整、光潔，可以在底板上磨制出來，也可另制，并裝配上去。其長度應大致占滿底板的長度或?qū)挾?，其寬度約5～10mm，只須滿足打表的需要即可。
6、三維步距規(guī)的標定三維步距規(guī)在使用前須在精密坐標測量機(或精密數(shù)控機床、或?qū)ｉT的標定設備)上標定；標定內(nèi)容包括所有小三棱錐的坐標位置xi、yi、zi及其工作面的方向系數(shù)Aix、Aiy，Bix、Biy及Cix、Ciy，i＝1，2，…，n。
標定步驟如下(1)將步距規(guī)放置在坐標測量機的工作臺上，將組合傳感器固定在坐標測量機的測量頭上(取代原有測頭)，坐標測量機回零；(2)調(diào)整步距規(guī)的位置和方向，使基準邊N1(圖5)與X軸的運動方向相平行，使基準三棱錐21(見圖5，為醒目起見，其中基準三棱錐用粗線表示)處于測頭的正下方。
(3)組合傳感器下降(移動Z軸)，使它的三個微位移傳感器分別與基準三棱錐21的三個工作面接觸，并有一定的預壓縮量。將此時三個傳感器的讀數(shù)設置為零點，將基準三棱錐的坐標值也設為零x1＝y(tǒng)1＝z1＝0。
(4)組合傳感器提起，X軸移動Δx，組合傳感器再下降，Z軸回原處(z1)，此時三個微位移傳感器的讀數(shù)分別為δ1Ax，δ1Bx，δ1Cx，于是得基準三棱錐的一組方向系數(shù)A1x=δ1AxΔx]]>B1x=δ1BxΔx]]>C1x=δ1CxΔx]]>(5)組合傳感器提起，X軸回零，Y軸移動Δy，組合傳感器再下降，Z軸回到原處(z1)，此時三個微位移傳感器的讀數(shù)分別為δ1Ay，δ1By，δ1Cy，于是得另一組方向系數(shù)A1y=δ1AyΔy]]>B1y=δ1ByΔy]]>C1y=δ1CyΔy]]>記下x1、y1、z1(均為0)和A1x、A1y，B1x、B1y及C1x、C1y。
(6)組合傳感器(Z軸)提起，移動X、Y軸，至下一個三棱錐Ji(i＝2，3，…，n)處，組合傳感器(Z軸)再下降，使它的三個微位移傳感器分別與三棱錐Ji的三個工作面接觸，記下它們的讀數(shù)δiA，δiB，δiC和此時的坐標值x′i、y′i、z′i；(7)組合傳感器提起，X軸移動Δx，組合傳感器再下降，Z軸回到原處(z′i)，此時三個微位移傳感器相對于δiA，δiB，δiC的讀數(shù)變動量分別為δiAx，δiBx，δiCx，于是得Ji的三個方向系數(shù)Aix=δiAxΔx]]>Bix=δiBxΔx]]>Cix=δiCxΔx]]>(8)組合傳感器提起，X軸回原位，Y軸移動Δy，組合傳感器再下降，Z軸回到原處(z′i)，此時三個微位移傳感器相對于δiA，δiB，δiC的讀數(shù)變動量分別為δiAy，δiBy，δiCy，于是得Ji的另外三個方向系數(shù)Aiy=δiAyΔy]]>Biy=δiByΔy]]>Ciy=δiCyΔy]]>(9)Ji相對于基準三棱錐21實際坐標值xi、yi、zi可按以下公式修正xi＝x′i-(Di11δiA+Di12δiB+Di13δiC)yi＝y(tǒng)′i-(Di21δiA+Di22δiB+Di33δiC)zi＝z′i-(Di31δiA+Di32δiB+Di33δiC)一般來說，經(jīng)過一次修正以后三個微位移傳感器的讀數(shù)δiA，δiB，δiC都會變?yōu)榱?。如果還不為零，退回到(6)，重復(6)～(9)的步驟，直至δiA，δiB，δiC都成為零。記下此時的xi、yi、zi和Aix、Aiy，Bix、Biy及Cix、Ciy。
重復以上(6)～(9)的步驟，得到xi、yi、zi和Aix、Aiy，Bix、Biy及Cix、Ciy；i＝1，2，…，n(其中x1＝y(tǒng)1＝z1＝0)，此即對于一個三維步距規(guī)的全部標定數(shù)據(jù)。
7、利用三維步距規(guī)檢測數(shù)控機床空間定位精度三維步距規(guī)經(jīng)標定以后，即可用于檢測數(shù)控機床空間定位精度，其方法和步驟如下(1)將步距規(guī)放置在機床的工作臺上，將組合傳感器固定在機床的主軸上，(主軸鎖死，不可轉(zhuǎn)動)，機床坐標回零。
(2)調(diào)整步距規(guī)的位置和方向，使基準邊N1(圖5)與X軸的運動方向相平行，使基準三棱錐21(圖5)處于測頭的正下方。
(3)組合傳感器下降(移動Z軸)，使它的三個微位移傳感器分別與基準三棱錐21的三個工作面接觸，并有一定的預壓縮量。將此時三個傳感器的讀數(shù)設置為零點，此時機床的坐標值也設為零x1＝y(tǒng)1＝z1＝0。
(4)機床沿任何路線(根據(jù)前述，定位誤差只與指令點的位置有關，而與趨近該點的路線和方向無關)，將組合傳感器相繼移至各個三棱錐的坐標位置xi、yi、zi，記下三個微位移傳感器的讀數(shù)δiA，δiB，δiC，即可按以下聯(lián)立方程解出在各個三棱錐處的機床定位誤差Eix、Eiy或Eiz(i＝2，3，…，n)來，δiA=AixEix+AiyEiy+EizδiB=BixEix+BiyEiy+EizδiC=CixEix+CiyEiy+Eiz;i=2,3,...,n]]>上述標定與檢測操作均可編制數(shù)控程序，自動地進行。
8、工作臺臺面位置誤差補償以上假定坐標測量機和數(shù)控機床的工作臺臺面均平行于由它們的X軸和Y軸所決定的平面。實際上，中、低檔數(shù)控機床的工作臺臺面可能偏離他的X-Y平面，這樣，勢必帶來檢測誤差。為了對此項誤差進行補償，在步距規(guī)的底板上制有基準邊N2和N3(圖5)。以組合傳感器中的一個微位移傳感器(或者另外的千分表)沿X軸移動，檢測基準邊N2的Z向高度，得出一條曲線，并擬合出一條直線(見圖6中虛線)，該線與X軸的夾角為θx。同樣，由對于基準邊N3的檢測可擬合出角度θy。由于θx和θy均為微小角度，對測得的定位誤差可進行線性補償。也可采用在步距規(guī)底板下加墊片的方法來消除θx和θy。(這里假定標定設備的工作臺臺面嚴格地與它的X-Y平面重合；如果不重合，也可以按類似的方法補償)。
9、多步距規(guī)組合檢測圖5所示的步距規(guī)僅能檢測分布在某一個水平面上的諸測點上的定位誤差，但本實用新型所建議的三維步距規(guī)的作用不限于此。利用圖7(a)、(b)、(c)所示的各種步距規(guī)進行組合檢測，即可測出機床在工作空間中任意分布的點系上的定位誤差。需要注意的是，每一個步距規(guī)的基準三棱錐21都必須首先調(diào)整到機床坐標零點的位置，然后再開始檢測。
權利要求1.一種三維步距規(guī)，其特征在于它包括底板(3)、組合傳感器(1)和n個三棱錐或三棱臺(2i，i＝1，2，…，n)，n為大于2的自然數(shù)；底板(3)下裝有三個支撐點(L1、L2、L3)，底板(3)上有三條基準邊(N1、N2、N3)，其中二條基準邊(N2、N3)平行于三個支撐點(L1、L2、L3)所確定的平面(S)；三棱錐或三棱臺(2i)固定在底板(3)上，其中一個三棱錐作為檢測和標定的基準，所有三棱錐或三棱臺上均標有坐標位置(xi、yi、zi)及其工作面的方向系數(shù)(Aix、Aiy，Bix、Biy及Cix、Ciy，i＝1，2，…，n)；組合傳感器(1)由三個并聯(lián)的微位移傳感器(1A、1B和1C)構成，用于在數(shù)控機床上分別測定對應于各指令位移的實際位移相對于各個三棱錐或三棱臺(2i)的空間位置偏差。
專利摘要本實用新型公開了一種三維步距規(guī)，即一種可精確測定數(shù)控機床(或其它數(shù)控設備)空間定位精度的裝置。包括底板、組合傳感器和n個三棱錐或三棱臺；底板下裝有三個支撐點，底板上有三條基準邊，其中二條基準邊平行于三個支撐點所確定的平面；所有三棱錐或三棱臺均固定在底板上，其中一個三棱錐作為檢測和標定的基準，所有三棱錐或三棱臺上均有坐標位置及其工作面的方向系數(shù)；組合傳感器由三個并聯(lián)的微位移傳感器構成，用于在數(shù)控機床上分別測定對應于各指令位移的實際位移相對于各三棱錐或三棱臺的空間位置偏差，以測定該數(shù)控機床在諸離散點處的三維定位精度。此裝置適用于檢測量大面廣的中、低檔數(shù)控設備的三維定位精度。
文檔編號G01B7/004GK2713436SQ20042006502
公開日2005年7月27日 申請日期2004年6月23日 優(yōu)先權日2004年6月23日
發(fā)明者師漢民, 李斌, 毛新勇, 劉紅奇 申請人:華中科技大學