機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備及其檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備及其檢測(cè)方法，該檢測(cè)設(shè)備處理器、激光干涉儀、干涉鏡組、反射鏡組、支架以及固定平臺(tái)，固定平臺(tái)下部水平地設(shè)有滑動(dòng)導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)有垂直于滑動(dòng)導(dǎo)軌且可沿滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)的Y向?qū)к墸琘向?qū)к壣显O(shè)有垂直于Y向?qū)к壡铱裳豗向?qū)к壔瑒?dòng)的X向?qū)к?，X向?qū)к壣显O(shè)有垂直于X向?qū)к壡铱裳豖向?qū)к壔瑒?dòng)的Z向滑動(dòng)平臺(tái)；固定平臺(tái)上設(shè)有第一光柵尺，X向?qū)к壣显O(shè)有第二光柵尺，Y向?qū)к壣显O(shè)有第三光柵尺，第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺均與處理器連接，反射鏡組安裝在Z向滑動(dòng)平臺(tái)上。本發(fā)明測(cè)量精度高且測(cè)量速度快，可廣泛應(yīng)用于機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差檢測(cè)領(lǐng)域中。
【專利說(shuō)明】機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備及其檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾 何誤差的檢測(cè)設(shè)備及其檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天、軍工、船舶、汽車等行業(yè)對(duì)精密零件加工的要求越來(lái)越高，機(jī)床的 精度性能顯得更加重要，提高數(shù)控機(jī)床精度的研究倍受重視。尺寸精度是決定數(shù)控機(jī)床加 工精度的最重要因素，而數(shù)控機(jī)床的幾何精度是影響尺寸精度的直接原因。對(duì)于機(jī)床單軸 運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的測(cè)量是提高機(jī)床幾何精度的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，如何準(zhǔn)確測(cè)量或辨識(shí)誤差項(xiàng)成為 國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003] 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)數(shù)控機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差檢測(cè)方法進(jìn)行了較廣泛而深入 的研究，先后出現(xiàn)了 9線法，10線法，14線法，激光跟蹤法，基于激光干涉儀三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)綜 合誤差檢定，基于開普勒激光干涉儀分步對(duì)角線法等各種檢測(cè)方法。其中，九線法測(cè)量方法 簡(jiǎn)單，快捷，應(yīng)用范圍最廣。但是，九線法受激光干涉儀的反射鏡的擺放誤差的影響，在一些 高精密測(cè)量場(chǎng)合，辨識(shí)精度往往達(dá)不到要求，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床無(wú)法有效地識(shí)別幾何誤差并進(jìn) 行糾正，因而無(wú)法滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)加工精度的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè) 設(shè)備，本發(fā)明的另一目的是提供機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備，包括處理器、激光干涉儀、干涉鏡組、反射 鏡組、用于安裝干涉鏡組的支架以及用于安裝在機(jī)床單軸上的固定平臺(tái)，所述固定平臺(tái)下 部水平地設(shè)有滑動(dòng)導(dǎo)軌，所述滑動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)有垂直于滑動(dòng)導(dǎo)軌且可沿滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)的Y向 導(dǎo)軌，所述Y向?qū)к壣显O(shè)有垂直于Y向?qū)к壡铱裳豗向?qū)к壔瑒?dòng)的X向?qū)к?，所述X向?qū)к?上設(shè)有垂直于X向?qū)к壡铱裳豖向?qū)к壔瑒?dòng)的Z向滑動(dòng)平臺(tái)；
[0007] 所述固定平臺(tái)上設(shè)有第一光柵尺，所述Y向?qū)к壣显O(shè)有第二光柵尺，所述X向?qū)к?上設(shè)有第三光柵尺，所述第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺均與處理器連接，所述反射 鏡組安裝在Z向滑動(dòng)平臺(tái)上；
[0008] 所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被干涉鏡組一分為二，其中一部分光束通過(guò)干涉鏡 組后照射到反射鏡組上并被反射鏡組反射回干涉鏡組后從干涉鏡組透射返回到激光干涉 儀，另一部分光束直接經(jīng)干涉鏡組反射后返回到激光干涉儀。
[0009] 進(jìn)一步，所述干涉鏡組包括分束器、第一反射鏡和第二反射鏡，所述反射鏡組包括 第三反射鏡和第四反射鏡，所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被分束器一分為二，其中一部分 光束通過(guò)分束器后照射到第三反射鏡上并依次經(jīng)第三反射鏡和第四反射鏡反射后返回分 束器并透射返回到激光干涉儀，另一部分光束依次經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡反射后返回 分束器并透射返回到激光干涉儀。
[0010] 進(jìn)一步，所述X向?qū)к壍膫?cè)面設(shè)有限位機(jī)構(gòu)。
[0011] 進(jìn)一步，所述滑動(dòng)導(dǎo)軌的數(shù)量為兩個(gè)，該兩個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌平行地設(shè)置。
[0012] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的另一技術(shù)方案是：
[0013] 采用所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)方法，包括：
[0014] Sl、以滑動(dòng)導(dǎo)軌所在方向?yàn)閄軸，X向?qū)к壦诜较驗(yàn)閅軸，Y向?qū)к壦诜较驗(yàn)閆 軸，建立空間坐標(biāo)系后，選定空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床單軸沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)；
[0015] S2、通過(guò)調(diào)節(jié)X向?qū)к墶向?qū)к壓蚙向滑動(dòng)平臺(tái)使得反射鏡組位于三個(gè)不同位置， 同時(shí)在每個(gè)位置均驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采 用激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵 尺采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)；
[0016] S3、根據(jù)第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集的反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)， 計(jì)算位置誤差敏感度矩陣，進(jìn)而獲得位置誤差敏感度矩陣的最小值對(duì)應(yīng)的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)處反 射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)后，結(jié)合激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)計(jì)算獲得機(jī)床單 軸運(yùn)動(dòng)的六項(xiàng)幾何誤差。
[0017] 進(jìn)一步，所述步驟S2,包括：
[0018] S21、沿線1進(jìn)行測(cè)量：將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍囊粋?cè)，同時(shí)將Z向滑動(dòng)平臺(tái)調(diào) 節(jié)到Y(jié)向?qū)к壍淖畹忘c(diǎn)，維持反射鏡組在Y、Z軸方向不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡 組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中采用激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用 第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)；
[0019] S22、沿線2進(jìn)行測(cè)量：將Z向滑動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)到Y(jié)向?qū)к壍淖罡唿c(diǎn)后，繼續(xù)維持反射 鏡組在Υ、Ζ軸方向不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中 采用激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光 柵尺采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)；
[0020] S23、沿線3進(jìn)行測(cè)量：將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍牧硪粋?cè)后，繼續(xù)維持反射鏡組 在Υ、Ζ軸方向不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中采用 激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺 采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)。
[0021] 進(jìn)一步，所述步驟S3,包括：
[0022] S31、在線1、線2及線3上各選擇任一測(cè)量點(diǎn)后獲取其對(duì)應(yīng)的反射鏡組的實(shí)時(shí)位置 數(shù)據(jù)，進(jìn)而按照下式求解位置誤差敏感度矩陣：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，包括處理器、激光干涉儀、干涉 鏡組、反射鏡組、用于安裝干涉鏡組的支架以及用于安裝在機(jī)床單軸上的固定平臺(tái)，所述固 定平臺(tái)下部水平地設(shè)有滑動(dòng)導(dǎo)軌，所述滑動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)有垂直于滑動(dòng)導(dǎo)軌且可沿滑動(dòng)導(dǎo)軌滑 動(dòng)的Y向?qū)к?，所述Y向?qū)к壣显O(shè)有垂直于Y向?qū)к壡铱裳豗向?qū)к壔瑒?dòng)的X向?qū)к?，所?X向?qū)к壣显O(shè)有垂直于X向?qū)к壡铱裳豖向?qū)к壔瑒?dòng)的Z向滑動(dòng)平臺(tái)； 所述固定平臺(tái)上設(shè)有第一光柵尺，所述Y向?qū)к壣显O(shè)有第二光柵尺，所述X向?qū)к壣显O(shè) 有第三光柵尺，所述第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺均與處理器連接，所述反射鏡組 安裝在Z向滑動(dòng)平臺(tái)上； 所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被干涉鏡組一分為二，其中一部分光束通過(guò)干涉鏡組后 照射到反射鏡組上并被反射鏡組反射回干涉鏡組后從干涉鏡組透射返回到激光干涉儀，另 一部分光束直接經(jīng)干涉鏡組反射后返回到激光干涉儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述干 涉鏡組包括分束器、第一反射鏡和第二反射鏡，所述反射鏡組包括第三反射鏡和第四反射 鏡，所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被分束器一分為二，其中一部分光束通過(guò)分束器后照射 到第三反射鏡上并依次經(jīng)第三反射鏡和第四反射鏡反射后返回分束器并透射返回到激光 干涉儀，另一部分光束依次經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡反射后返回分束器并透射返回到激 光干涉儀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述X向 導(dǎo)軌的側(cè)面設(shè)有限位機(jī)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述滑 動(dòng)導(dǎo)軌的數(shù)量為兩個(gè)，該兩個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌平行地設(shè)置。
5. 采用權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)方 法，其特征在于，包括： 51、 以滑動(dòng)導(dǎo)軌所在方向?yàn)閄軸，X向?qū)к壦诜较驗(yàn)閅軸，Y向?qū)к壦诜较驗(yàn)閆軸， 建立空間坐標(biāo)系后，選定空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床單軸沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)； 52、 通過(guò)調(diào)節(jié)X向?qū)к墶向?qū)к壓蚙向滑動(dòng)平臺(tái)使得反射鏡組位于三個(gè)不同位置，同 時(shí)在每個(gè)位置均驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采用 激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺 采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)； 53、 根據(jù)第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集的反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，計(jì)算 位置誤差敏感度矩陣，進(jìn)而獲得位置誤差敏感度矩陣的最小值對(duì)應(yīng)的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)處反射鏡 組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)后，結(jié)合激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)計(jì)算獲得機(jī)床單軸運(yùn) 動(dòng)的六項(xiàng)幾何誤差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)方法，其特征在 于，所述步驟S2,包括： S21、沿線1進(jìn)行測(cè)量：將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍囊粋?cè)，同時(shí)將Z向滑動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)到 Y向?qū)к壍淖畹忘c(diǎn)，維持反射鏡組在Y、Z軸方向不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿 X軸作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中采用激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光 柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)； 522、 沿線2進(jìn)行測(cè)量：將Z向滑動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)到Y(jié)向?qū)к壍淖罡唿c(diǎn)后，繼續(xù)維持反射鏡組 在Y、Z軸方向不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中采用 激光干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺 采集反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)； 523、 沿線3進(jìn)行測(cè)量：將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍牧硪粋?cè)后，繼續(xù)維持反射鏡組在Υ、 Z軸方向不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X軸移動(dòng)使得反射鏡組沿X軸作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中采用激光 干涉儀采集機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)，并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集 反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的幾何誤差的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)方法，其特征在 于，所述步驟S3,包括： 531、 在線1、線2及線3上各選擇任一測(cè)量點(diǎn)后獲取其對(duì)應(yīng)的反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù) 據(jù)，進(jìn)而按照下式求解位置誤差敏感度矩陣：
上式中，
^ (X11Y11Z1), (X21Y21Z2), (X3, Y3, Z3)依次為反射鏡組在所選擇的線1、線2及線3的測(cè)量點(diǎn)上的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)； 532、 重復(fù)執(zhí)行步驟S31直到執(zhí)行預(yù)設(shè)迭代計(jì)算次數(shù)后，獲取位置誤差敏感度矩陣的最 小值，進(jìn)而獲得其對(duì)應(yīng)的線1、線2及線3的測(cè)量點(diǎn)處反射鏡組的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)后，代入下式 計(jì)算機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的六項(xiàng)幾何誤差： {八⑴} = [Εχ]{δχ} 上式中，{Λ (X)} = [Ax1W AyJX) AzJX) AxJX) Ay2⑴ Ax3⑴]τ，{δχ} = [δχ(Χ) δ γ (X) δ ζ (X) ε χ (X) ε γ (X) ε ζ (X) ]τ，Ex 的表達(dá)式如下：
其中，Ax1(X)、Ay1(X)及Az1(X)依次表示激光干涉儀采集的線1的機(jī)床單軸的實(shí)時(shí) 誤差數(shù)據(jù)中的X軸數(shù)據(jù)、Y軸數(shù)據(jù)及Z軸數(shù)據(jù)，Λ x2 (X)及Λ y2 (X)分別表示激光干涉儀采 集的線2的機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)中的X軸數(shù)據(jù)及Y軸數(shù)據(jù)，Ax3(X)表示激光干涉儀采 集的線3的機(jī)床單軸的實(shí)時(shí)誤差數(shù)據(jù)中的X軸數(shù)據(jù)； δ χ(Χ)、δ γ(Χ)、δ Ζ(Χ)、ε χ(χ)、ε γ(χ)及ε ζ(χ)分別表示機(jī)床單軸運(yùn)動(dòng)的六項(xiàng)幾何誤 差，其中Sx(X)表示機(jī)床沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)在X軸方向的定位誤差，δγ(Χ)表示機(jī)床沿X軸運(yùn) 動(dòng)時(shí)在Y軸方向的位移誤差，S z(X)表示機(jī)床沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)在Z軸方向的位移誤差，εχ(χ) 表示機(jī)床沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)在X軸方向的滾擺誤差，ε γ(χ)表示機(jī)床沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)在Y軸方向 的扭擺誤差，εζ(χ)表示機(jī)床沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)在Z軸方向的旋轉(zhuǎn)誤差。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK104390586SQ201410636193
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】彭偉超, 王素娟, 陳新度, 夏鴻建, 歐陽(yáng)祥波, 王晗, 李克天, 劉強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)