一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法
【專利摘要】一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法，采用貓眼以及可回轉(zhuǎn)的貓眼托架可快速完成激光跟蹤儀基站空間坐標的高精度標定，標定精度排除了機床系統(tǒng)誤差的影響；采用一臺激光跟蹤儀、貓眼以及可回轉(zhuǎn)的貓眼托架先后在四個不同檢測位置對機床單個旋轉(zhuǎn)軸三個固定點繞軸心線旋轉(zhuǎn)運動進行測量，通過三個固定點在空間連續(xù)運動的軌跡，計算旋轉(zhuǎn)軸的實時位姿，最后辨識出機床旋轉(zhuǎn)軸的各項誤差，由于測量運動軸的實時位姿，所獲取的機床信息豐富，所以誤差辨識算法也非常簡單，適于快速數(shù)據(jù)處理與機床誤差快速補償；本發(fā)明具有成本低、精度高、操作快速簡單、測量信息豐富等優(yōu)點，適合于數(shù)控機床領域的精度檢測。
【專利說明】一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺測量【技術領域】，特別涉及一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差
三線測量法。
【背景技術】
[0002]幾何誤差是影響數(shù)控機床加工精度最重要的因素，因此，快速、準確檢測出機床的各項幾何誤差并進行誤差補償是提高機床加工精度的重要途徑之一。目前，機床直線軸誤差檢測方法有很多，而旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測方法相對較少，也是目前機床檢測的難點之一。采用自準直儀和多面體只能對轉(zhuǎn)臺的定位誤差進行評定，而對其他各項誤差無法測量。利用激光干涉儀和英國Renishaw公司的RXlO回轉(zhuǎn)精度測量儀以及其他輔助測量工具，可對轉(zhuǎn)臺的各項誤差進行測量，但檢測周期較長；利用球桿儀測量時，需要機床多軸聯(lián)動，并需要球桿儀在不同模式下進行測量，測量過程較為復雜。
[0003]由于轉(zhuǎn)臺的運動精度直接影響著多軸數(shù)控機床的整體加工精度，有必要提出一種能夠快速、準確檢測出旋轉(zhuǎn)軸精度的新方法，為提高多軸數(shù)控機床加工精度奠定堅實的基礎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法，具有成本低、精度高、操作快速簡單、測量信息豐富等優(yōu)點。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案:
[0006]一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法，包括以下步驟:
[0007]I)利用三坐標測量機標定貓眼托架六個固定點的相對空間坐標位置，六個固定點為貓眼I繞回轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)一周的六個不同位置；
[0008]2)將貓眼托架固定安裝在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺上，然后以貓眼托架的回轉(zhuǎn)中心為坐標原點
0,以過坐標原點0和第一個固定點的直線為X軸,設定坐標原點O、第一個固定點以及第二個固定點所確定的平面為XOY平面，在XOY平面內(nèi)過坐標原點0垂直于X軸的直線為Y軸，以過坐標原點0垂直于XOY平面的直線為Z軸，然后按照右手法則建立位置固定的笛卡爾坐標系；
[0009]3)利用六個固定點在笛卡爾坐標系的位置坐標完成激光跟蹤儀在四個基站的標定；在機床轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，利用激光跟蹤儀在四個基站的空間坐標值連續(xù)標定六個固定點中三個固定點的坐標，得到三個固定點的空間閉合圓周軌跡線；
[0010]4)利用最小二乘法求解三條閉合圓周軌跡線的三個理論圓心空間坐標，求解一條空間直線L1，使其距離三個理論圓心的距離平方和最?。?br> [0011]5)過坐標原點0作一垂直于直線L1的直線L2交于點0’，以0’為坐標原點，直線L2為X軸，直線L1為Z軸，依據(jù)右手法則建立笛卡爾坐標系；
[0012]6)求解步驟2)中的笛卡爾坐標系向步驟5)中笛卡爾坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，并利用此轉(zhuǎn)換矩陣求解三條空間軌跡線在步驟5)中笛卡爾坐標系中的坐標；
[0013]7)連接三個固定點的空間軌跡上的對應點，得到連續(xù)多個三角形的空間位姿；
[0014]8)求三角形的法向量，定義初始三角形的法向量為初始法向量，后續(xù)三角形的法向量為后續(xù)法向量，在步驟5)中所建立的笛卡爾坐標系中，將初始法向量繞Z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為數(shù)據(jù)采集時的理論角度值，旋轉(zhuǎn)次數(shù)與后續(xù)法向量的個數(shù)相同，并記錄旋轉(zhuǎn)之后的法向量值；
[0015]9)以步驟8)中旋轉(zhuǎn)后的初始法向量為參考，后續(xù)法向量分別繞Z軸和X軸各旋轉(zhuǎn)一次，使后續(xù)法向量與步驟8)中旋轉(zhuǎn)后的初始法向量重合，兩個旋轉(zhuǎn)角分別為旋轉(zhuǎn)軸圓周定位誤差和繞X軸的旋轉(zhuǎn)角誤差；
[0016]10)利用后續(xù)法向量與X、Y、Z軸的夾角關系求解出第三項旋轉(zhuǎn)角誤差；
[0017]11)利用步驟9)所得到的兩項旋轉(zhuǎn)角誤差使后續(xù)三角形分別繞步驟9)中所述兩個軸逆向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，所有后續(xù)三角形與初始三角形的夾角與理論值相同，并記錄旋轉(zhuǎn)后的頂點坐標；
[0018]12)將初始三角形順向繞步驟5)中所建立的笛卡爾坐標系Z軸進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度值分別為所有后續(xù)三角形數(shù)據(jù)采集時時的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度理論值，有多少后續(xù)三角形便旋轉(zhuǎn)多少次，并記錄此時初始三角形任意頂點的空間坐標值；
[0019]13)將經(jīng)過步驟12)的所有初始三角形上頂點空間坐標值與步驟11)中所有后續(xù)三角形對應頂點的空間坐標值相減，所得到的三項誤差即為旋轉(zhuǎn)軸三項直線度誤差。
[0020]所述步驟3)的具體實施流程為:
[0021]第一步、將激光跟蹤儀顯示值設為0，旋轉(zhuǎn)貓眼托架的擺桿，在六個不同位置記錄激光跟蹤儀的顯示值，利用這些顯示值標定激光跟蹤儀所在基站B1的空間坐標；
[0022]第二步、控制機床轉(zhuǎn)臺繞其回轉(zhuǎn)中心進行旋轉(zhuǎn)，并在回轉(zhuǎn)路徑上設置多個測量點，當轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至各測量點位置時，轉(zhuǎn)臺停止旋轉(zhuǎn)，記下該測量點位置處激光跟蹤儀的測距讀數(shù)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，所有測量點測量完成后，得到不同測量點處的激光跟蹤儀的測距讀數(shù)；
[0023]第三步、將擺桿旋轉(zhuǎn)120°，重復第一、第二步，測量完畢后，再將擺桿旋轉(zhuǎn)120°，重復第一、第二步，獲得擺桿在三個不同位置的測距讀數(shù)；
[0024]第四步、將激光跟蹤儀分別固定在基站B2、基站B3以及基站B4,并在基站B2、B3以及B4分別重復第一步至第三步。。
[0025]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0026]本發(fā)明采用貓眼以及可回轉(zhuǎn)的貓眼托架可快速完成激光跟蹤儀基站空間坐標的高精度標定，標定精度排除了機床系統(tǒng)誤差的影響；本發(fā)明采用一臺激光跟蹤儀、貓眼以及可回轉(zhuǎn)的貓眼托架先后在四個不同檢測位置對機床單個旋轉(zhuǎn)軸三個固定點繞軸心線旋轉(zhuǎn)運動進行測量，通過三個固定點在空間連續(xù)運動的軌跡，計算旋轉(zhuǎn)軸的實時位姿，最后辨識出機床旋轉(zhuǎn)軸的各項誤差，由于測量運動軸的實時位姿，所獲取的機床信息豐富，所以誤差辨識算法也非常簡單，適于快速數(shù)據(jù)處理與機床誤差快速補償；本發(fā)明具有成本低、精度高、操作快速簡單、測量信息豐富等優(yōu)點，適合于數(shù)控機床領域的精度檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為四路分時測量數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺精度的原理圖；測量時，激光跟蹤儀先后在b2、b3、B4四個檢測位置(基站)對測量點坐標進行測量。
[0028]圖2為所用測量裝置結(jié)構示意圖。
[0029]圖3為激光跟蹤儀基站標定原理圖；測量之前，利用貓眼托架已經(jīng)標定出坐標值的六個固定點(A、B、C、D、E、F)對激光跟蹤儀所在檢測位置進行標定。
[0030]圖4a為三線法測量過程空間閉合圓周軌跡線模型圖，圖4b為三線法測量過程連續(xù)多個三角形的空間位姿模型圖。
[0031]圖5為轉(zhuǎn)臺六項誤差分析圖。
[0032]圖6為誤差分離原理圖。
[0033]圖7為角運動誤差的對比圖；(a)為繞X軸旋轉(zhuǎn)誤差輸入值；(b)為繞X軸旋轉(zhuǎn)誤差分離值；(C)為繞X軸旋轉(zhuǎn)誤差輸入分離對比；(d)為繞Z軸圓周定位誤差輸入值；(e)為繞Z軸圓周定位誤差分離值；(f)為繞Z軸圓周定位誤差輸入分離對比。
[0034]圖8為旋轉(zhuǎn)軸A三項直線度誤差的對比圖；(a)為X向直線度誤差輸入值；(b)為X向直線度誤差分離值；(C)為X向直線度誤差對比；(d)為Y向直線度誤差輸入值；(e)為Y向直線度誤差分離值；(f)為Y向直線度誤差對比；(g)為Z向直線度誤差輸入值；(h)為Z向直線度誤差分離值；(i)為Z向直線度誤差對比。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0036]參照圖1和圖2，本發(fā)明所用的測量裝置包括一臺激光跟蹤儀、與激光跟蹤儀相對設置的貓眼I以及貓眼托架，貓眼I與貓眼托架連接，貓眼托架安裝于機床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺上，貓眼托架包括回轉(zhuǎn)軸4，回轉(zhuǎn)軸4和擺桿2的一端連接，貓眼I設置于擺桿2另一端上，定位銷3用于精密定位回轉(zhuǎn)軸4的回轉(zhuǎn)位置，回轉(zhuǎn)軸固定架5與回轉(zhuǎn)軸4連接，回轉(zhuǎn)軸固定架5固定安裝在于機床轉(zhuǎn)臺上。
[0037]一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法，包括以下步驟:
[0038]I)利用三坐標測量機標定貓眼托架六個固定點的相對空間坐標位置，六個固定點為貓眼I繞回轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)一周的六個不同位置；
[0039]2)如圖1所示，將貓眼托架固定安裝在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺上，然后以貓眼托架的回轉(zhuǎn)中心為坐標原點0，以過坐標原點0和第一個固定點的直線為X軸，設定坐標原點O、第一個固定點以及第二個固定點所確定的平面為XOY平面，在XOY平面內(nèi)過坐標原點0垂直于X軸的直線為Y軸，以過坐標原點0垂直于XOY平面的直線為Z軸，然后按照右手法則建立位置固定的笛卡爾坐標系；
[0040]經(jīng)過步驟I)和步驟2)，設定回轉(zhuǎn)中心為為坐標原點0，貓眼托架回轉(zhuǎn)半徑為200，六個固定點的坐標分別為廣
【權利要求】
1.一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法，其特征在于，包括以下步驟: 1)利用三坐標測量機標定貓眼托架六個固定點的相對空間坐標位置，六個固定點為貓眼(I)繞回轉(zhuǎn)軸(4)旋轉(zhuǎn)一周的六個不同位置； 2)將貓眼托架固定安裝在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺上，然后以貓眼托架的回轉(zhuǎn)中心為坐標原點O，以過坐標原點O和第一個固定點的直線為X軸，設定坐標原點O、第一個固定點以及第二個固定點所確定的平面為XOY平面，在XOY平面內(nèi)過坐標原點0垂直于X軸的直線為Y軸，以過坐標原點0垂直于XOY平面的直線為Z軸，然后按照右手法則建立位置固定的笛卡爾坐標系; 3)利用六個固定點在笛卡爾坐標系的位置坐標完成激光跟蹤儀在四個基站的標定；在機床轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，利用激光跟蹤儀在四個基站的空間坐標值連續(xù)標定六個固定點中三個固定點的坐標，得到三個固定點的空間閉合圓周軌跡線； 4)利用最小二乘法求解三條閉合圓周軌跡線的三個理論圓心空間坐標，求解一條空間直線L1，使其距離三個理論圓心的距離平方和最小； 5)過坐標原點0作一垂直于直線L1的直線L2交于點0’，以0’為坐標原點,直線L2為X軸，直線L1為Z軸，依據(jù)右手法則建立笛卡爾坐標系； 6)求解步驟2)中的笛卡爾坐標系向步驟5)中笛卡爾坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，并利用此轉(zhuǎn)換矩陣求解三條空間軌跡線在步驟5) 中笛卡爾坐標系中的坐標； 7)連接三個固定點的空間軌跡上的對應點，得到連續(xù)多個三角形的空間位姿； 8)求三角形的法向量，定義初始三角形的法向量為初始法向量，后續(xù)三角形的法向量為后續(xù)法向量，在步驟5)中所建立的笛卡爾坐標系中，將初始法向量繞Z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為數(shù)據(jù)采集時的理論角度值，旋轉(zhuǎn)次數(shù)與后續(xù)法向量的個數(shù)相同，并記錄旋轉(zhuǎn)之后的法向量值； 9)以步驟8)中旋轉(zhuǎn)后的初始法向量為參考，后續(xù)法向量分別繞Z軸和X軸各旋轉(zhuǎn)一次，使后續(xù)法向量與步驟8)中旋轉(zhuǎn)后的初始法向量重合，兩個旋轉(zhuǎn)角分別為旋轉(zhuǎn)軸圓周定位誤差和繞X軸的旋轉(zhuǎn)角誤差； 10)利用后續(xù)法向量與X、Y、Z軸的夾角關系求解出第三項旋轉(zhuǎn)角誤差； 11)利用步驟9)所得到的兩項旋轉(zhuǎn)角誤差使后續(xù)三角形分別繞步驟9)中所述兩個軸逆向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，所有后續(xù)三角形與初始三角形的夾角與理論值相同，并記錄旋轉(zhuǎn)后的頂點坐標； 12)將初始三角形順向繞步驟5)中所建立的笛卡爾坐標系Z軸進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度值分別為所有后續(xù)三角形數(shù)據(jù)采集時時的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度理論值，有多少后續(xù)三角形便旋轉(zhuǎn)多少次，并記錄此時初始三角形任意頂點的空間坐標值； 13)將經(jīng)過步驟12)的所有初始三角形上頂點空間坐標值與步驟11)中所有后續(xù)三角形對應頂點的空間坐標值相減，所得到的三項誤差即為旋轉(zhuǎn)軸三項直線度誤差。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差三線測量法，其特征在于:所述步驟3)的具體實施流程為: 第一步、將激光跟蹤儀顯示值設為0，旋轉(zhuǎn)貓眼托架的擺桿，在六個不同位置記錄激光跟蹤儀的顯示值，利用這些顯示值標定激光跟蹤儀所在基站B1的空間坐標； 第二步、控制機床轉(zhuǎn)臺繞其回轉(zhuǎn)中心進行旋轉(zhuǎn)，并在回轉(zhuǎn)路徑上設置多個測量點，當轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至各測量點位置時，轉(zhuǎn)臺停止旋轉(zhuǎn)，記下該測量點位置處激光跟蹤儀的測距讀數(shù)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，所有測量點測量完成后，得到不同測量點處的激光跟蹤儀的測距讀數(shù)； 第三步、將擺桿旋轉(zhuǎn)120°，重復第一、第二步，測量完畢后，再將擺桿旋轉(zhuǎn)120°，重復第一、第二步，獲得擺桿在三個不同位置的測距讀數(shù)； 第四步、將激光跟蹤儀分別固定在基站B2、基站B3以及基站B4,并在基站B2、B3以及B4分別重復第一步至第三步。
【文檔編號】B23Q17/24GK103737426SQ201310738106
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】郭俊杰, 李海濤, 鄧玉芬, 邱娟, 王興 申請人:西安交通大學