一種基于激光跟蹤儀多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定方法
【專利摘要】一種基于激光跟蹤儀多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定方法，屬于精密測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】。基于該測(cè)量方法，首先在機(jī)床上布置好待測(cè)點(diǎn)并編號(hào)。測(cè)量時(shí)移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)球靶鏡到各待測(cè)點(diǎn)，激光跟蹤儀在待測(cè)點(diǎn)區(qū)域外進(jìn)行測(cè)量，依次移動(dòng)激光跟蹤儀獲取不同站位待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值及相鄰待測(cè)點(diǎn)間的干涉測(cè)長(zhǎng)值，利用對(duì)干涉測(cè)長(zhǎng)值的誤差方程，利用最小二乘原理求解出各個(gè)站位的初始坐標(biāo)值和對(duì)應(yīng)站位下的初始距離值。利用各個(gè)站位點(diǎn)的初始值和待測(cè)點(diǎn)測(cè)量值以及站位到初始待測(cè)點(diǎn)的距離值，即可以通過干涉測(cè)長(zhǎng)值誤差方程的線性展開式求解出各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的改正值。從而提高了機(jī)床上空間測(cè)量點(diǎn)的定位精度。
【專利說明】一種基于激光跟蹤儀多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測(cè)量方法，特別是基于激光跟蹤儀多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定 方法。屬于精密測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)床的精度提出了越來越高的要求。機(jī)床的精度和 精度穩(wěn)定性是機(jī)床的重要技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)樵诠I(yè)測(cè)量、制造的過程中，由于受到磨損以及變 形、安裝等不同的因素影響，使得機(jī)床存在誤差。
[0003] 提高機(jī)床精度已經(jīng)受到很多研究者的重視。一般提高機(jī)床精度有兩種基本方法， 一種是誤差預(yù)防，另一種是誤差補(bǔ)償法，其中誤差補(bǔ)償方法常見的有：實(shí)物基準(zhǔn)測(cè)量法、激 光球桿儀、正交光柵測(cè)量法、激光干涉測(cè)量法等，以激光干涉儀最為常用，激光干涉儀雖具 有較高的測(cè)量精度，但對(duì)不同誤差測(cè)量時(shí)需要搭建不同的測(cè)量光路，檢測(cè)周期較長(zhǎng)，不能滿 足高精度、快速檢測(cè)要求。
[0004] 為此有必要發(fā)明一種適合于機(jī)床，能快速標(biāo)定其誤差的方法，以提高機(jī)床空間測(cè) 量點(diǎn)的定位精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定方法，具有高精度、快速實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
[0006] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種基于激光跟蹤儀多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定方法，包括下述測(cè)量步驟：
[0008] 測(cè)量時(shí)，首先確定機(jī)床各軸的移動(dòng)范圍，然后在機(jī)床各個(gè)軸系移動(dòng)范圍內(nèi)規(guī)劃待 測(cè)點(diǎn)，待測(cè)點(diǎn)的選取需要分布在整個(gè)機(jī)床的測(cè)量空間內(nèi)，并按順序編號(hào)：第1待測(cè)點(diǎn)，第2待 測(cè)點(diǎn)…第n待測(cè)點(diǎn)，通常按待測(cè)點(diǎn)的排放順序編號(hào)，編號(hào)順序沒有強(qiáng)制要求，但是要記住各 個(gè)待測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的編號(hào)和總共待測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)n。然后用目標(biāo)靶鏡替換下機(jī)床的探針，將激光跟 蹤儀放置到機(jī)床測(cè)量空間的邊緣，設(shè)該站位為激光跟蹤儀的初始站位，站位擺放要滿足不 妨礙機(jī)床的移動(dòng)路徑，并保證各個(gè)站位下激光跟蹤儀到靶鏡具有直線視距，確保激光跟蹤 頭能夠跟隨預(yù)先設(shè)置的待測(cè)點(diǎn)路徑。
[0009] 通常將跟蹤儀放置在機(jī)床測(cè)量臺(tái)的周邊，這樣可以最大限度滿足待測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)范 圍并確保激光跟蹤儀的站位不影響機(jī)床的移動(dòng)。
[0010] 控制機(jī)床移動(dòng)到每個(gè)待測(cè)量點(diǎn)，并測(cè)量此時(shí)的干涉測(cè)長(zhǎng)值并記錄待測(cè)點(diǎn)在機(jī)床坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)值，下述所有坐標(biāo)系的坐標(biāo)值都是機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，依次移動(dòng)激光跟 蹤儀到其余站位，假設(shè)站位個(gè)數(shù)為m，每個(gè)站位的坐標(biāo)為（X k, Yk, Zk)，其中k = 1，2,…，m。在 機(jī)床上布置了 n個(gè)待測(cè)點(diǎn)，待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xi, Yi, Zi)，其中i = 1，2,…，n。站位個(gè)數(shù)需要 滿足等式mXn>3n+4m。。依次移動(dòng)激光跟蹤儀到各個(gè)站位，并按待測(cè)點(diǎn)順序測(cè)量完所有待 測(cè)點(diǎn)直到完成所有站位的測(cè)量。
[0011] 設(shè)激光跟蹤儀到機(jī)床的初始待測(cè)點(diǎn)的距離為，測(cè)量過程中激光跟蹤儀獲取待測(cè)點(diǎn) 間相對(duì)干涉測(cè)量增量為Ii,在機(jī)床坐標(biāo)下，選取編號(hào)為1的待測(cè)點(diǎn)為初始測(cè)量點(diǎn)，各個(gè)站 位下的初始測(cè)量點(diǎn)均為此待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡從初始測(cè)量點(diǎn)TtlU, y, Z),移動(dòng)到任意待 測(cè)點(diǎn)Ti (X，y，z)，激光跟蹤儀干涉測(cè)長(zhǎng)增量為1，則按空間兩點(diǎn)直線方程可以建立如下關(guān)系 式：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光跟蹤儀多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的機(jī)床誤差標(biāo)定方法，包括下述測(cè)量步驟： 測(cè)量時(shí)，首先確定機(jī)床各軸的移動(dòng)范圍，然后在機(jī)床各個(gè)軸系移動(dòng)范圍內(nèi)規(guī)劃待測(cè)點(diǎn)， 待測(cè)點(diǎn)的選取需要分布在整個(gè)機(jī)床的測(cè)量空間內(nèi)，并按順序編號(hào)：第1待測(cè)點(diǎn)，第2待測(cè) 點(diǎn)…第η待測(cè)點(diǎn)，通常按待測(cè)點(diǎn)的排放順序編號(hào)，編號(hào)順序沒有強(qiáng)制要求，但是要記住各個(gè) 待測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的編號(hào)和總共待測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)η ;然后用目標(biāo)靶鏡替換下機(jī)床的探針，將激光跟 蹤儀放置到機(jī)床測(cè)量空間的邊緣，設(shè)該站位為激光跟蹤儀的初始站位，站位擺放要滿足不 妨礙機(jī)床的移動(dòng)路徑，并保證各個(gè)站位下激光跟蹤儀到靶鏡具有直線視距，確保激光跟蹤 頭能夠跟隨預(yù)先設(shè)置的待測(cè)點(diǎn)路徑； 通常將跟蹤儀放置在機(jī)床測(cè)量臺(tái)的周邊，這樣可以最大限度滿足待測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)范圍并 確保激光跟蹤儀的站位不影響機(jī)床的移動(dòng)； 控制機(jī)床移動(dòng)到每個(gè)待測(cè)量點(diǎn)，并測(cè)量此時(shí)的干涉測(cè)長(zhǎng)值并記錄待測(cè)點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)值，下述所有坐標(biāo)系的坐標(biāo)值都是機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，依次移動(dòng)激光跟蹤儀 到其余站位，假設(shè)站位個(gè)數(shù)為m，每個(gè)站位的坐標(biāo)為（X k, Yk, Zk)，其中k = 1，2,…，m ;在機(jī)床 上布置了 η個(gè)待測(cè)點(diǎn)，待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xi, Yi, Zi)，其中i = 1，2,…，η ;站位個(gè)數(shù)需要滿足 等式mXη > 3n+4m ;;依次移動(dòng)激光跟蹤儀到各個(gè)站位，并按待測(cè)點(diǎn)順序測(cè)量完所有待測(cè) 點(diǎn)直到完成所有站位的測(cè)量； 設(shè)激光跟蹤儀到機(jī)床的初始待測(cè)點(diǎn)的距離為測(cè)量過程中激光跟蹤儀獲取待測(cè)點(diǎn)間 相對(duì)干涉測(cè)量增量為Ii,在機(jī)床坐標(biāo)下，選取編號(hào)為1的待測(cè)點(diǎn)為初始測(cè)量點(diǎn)，各個(gè)站位下 的初始測(cè)量點(diǎn)均為此待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡從初始測(cè)量點(diǎn)T tlU, y, Z),移動(dòng)到任意待測(cè)點(diǎn) TiU, y，z)，激光跟蹤儀干涉測(cè)長(zhǎng)增量為1，則按空間兩點(diǎn)直線方程可以建立如下關(guān)系式：
上式中i和j分別是機(jī)床待測(cè)點(diǎn)數(shù)和激光跟蹤儀站位數(shù)；假設(shè)激光跟蹤儀在m個(gè)站位 下測(cè)量待測(cè)點(diǎn)，在機(jī)床坐標(biāo)系下，每個(gè)站位的坐標(biāo)為（Xj, Yj, Zj),其中j = 1，2,…，m ;機(jī)床上 有η個(gè)待測(cè)點(diǎn)，待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xi, Yi, Zi)，其中i = 1，2,…，η ; 實(shí)際測(cè)量時(shí)，Ii的真值可以利用高精度的干涉相對(duì)測(cè)距代替，則第j個(gè)站位下的第i個(gè) 待測(cè)點(diǎn)的誤差方程為：
設(shè)待測(cè)點(diǎn)Ui, Yi, Zi)集合為T，站位坐標(biāo)（Xp Yp Zp集合為P，激光儀干涉測(cè)長(zhǎng)Ii集合 為L(zhǎng)，每個(gè)站位下到初始待測(cè)點(diǎn)的距離&集合為D ;利用最小二乘方法處理等式（2)使得誤 差平方和E(T，P，D)最?。?br> 由于等式（2)是一個(gè)非線性方程組，直接用等式（2)求解異常繁鎖，采用下述方式給予 解決： 已假設(shè)有η個(gè)機(jī)床待測(cè)點(diǎn)，有m個(gè)激光跟蹤儀站位數(shù)；在機(jī)床坐標(biāo)系下，未知參數(shù)為3n 個(gè)待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)Ti (Xi, Yi, Zi)和3m個(gè)激光跟蹤站位坐標(biāo)Pj (Xj, Yj, Zj)以及m個(gè)每個(gè)站位下到 初始待測(cè)點(diǎn)的距離Clj ;所以未知數(shù)一共為3n+4m，而每個(gè)站位可以提供η個(gè)干涉測(cè)長(zhǎng)值，總 共mXn個(gè)方程，為使等式有解，需要滿足mXn > 3n+4m，對(duì)等式（2)進(jìn)行線性展開可得：
等式（4)即為優(yōu)化解算模型，式中上標(biāo)為零的變量為解算時(shí)需要給定的迭代初值，其 中AXi，Ayi, AZi，AXj, AYj, Λ Zj分別為參考坐標(biāo)系待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)改正值與激光跟蹤儀 站位坐標(biāo)質(zhì)點(diǎn)的改正值，Adj為每個(gè)站位質(zhì)點(diǎn)到初始待測(cè)點(diǎn)的距離的改正值；實(shí)際測(cè)量中 分，<初值可以直接讀取參考坐標(biāo)系下需要優(yōu)化待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值；而激光跟蹤 儀各個(gè)站位質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)初值和每個(gè)站位質(zhì)點(diǎn)到初始待測(cè)點(diǎn)的距離初值<需 要用如下方法來求?。? 設(shè)激光跟蹤儀站位坐標(biāo)的近似值作為迭代初值，所以不妨設(shè)需要求取改正值的待測(cè)點(diǎn) 坐標(biāo)暫時(shí)為真值，則等式（1)中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)TiOc, y，z)和干涉測(cè)長(zhǎng)增量Ii為已知變量，利 用每個(gè)站位下的待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值和干涉測(cè)長(zhǎng)增量，分別標(biāo)定激光跟蹤儀質(zhì)點(diǎn)在各個(gè)站位下的 坐標(biāo)值Pj(X，y, z)和對(duì)應(yīng)站位下質(zhì)點(diǎn)到的初始待測(cè)點(diǎn)距離值dj，當(dāng)j = 1時(shí)，則等式（1)變 為：
將等式（5)寫成誤差方程：
其中，X1, Y1, Z1為激光跟蹤儀在機(jī)床坐標(biāo)系下第一個(gè)站位的坐標(biāo)值，（Xi，yi，Z i)為對(duì)應(yīng) 站位下測(cè)量的待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值i = 1，2,…，n，Vi為第1站位下各個(gè)待測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的誤差值； 設(shè)左=Z12 + if + Z12 - J12，對(duì)上式進(jìn)行最小二乘求解可得：

聯(lián)立等式（7)和（11)可求得機(jī)床坐標(biāo)系下第1站位的坐標(biāo)值和對(duì)應(yīng)站位下的初始距 離值d，同理當(dāng)j = 2, 3, ···，!!!時(shí)，可以求得其余站位在機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)值和對(duì)應(yīng)站位下 的初始距離值d ;利用各個(gè)站位點(diǎn)的初始值和待測(cè)點(diǎn)測(cè)量值以及對(duì)應(yīng)站位到初始待測(cè)點(diǎn)的 距離值，即可以通過等式（4)求解出各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的改正值； 將改正值加上原測(cè)量點(diǎn)的三維值即為最終優(yōu)化后的高精度三維坐標(biāo)值。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK104374317SQ201410638347
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】陳洪芳, 石照耀, 閆昊, 譚志 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)