本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺誤差的標定方法,特別是一種基于曲面基準件的數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺誤差的標定方法。
背景技術(shù):
目前使用較為廣泛的機床誤差檢測儀器有激光干涉儀和球桿儀,由于自身檢測原理上的因素,這些儀器在應用于多軸數(shù)控機床的誤差檢測中存在各自的不足:如激光干涉儀調(diào)整復雜,一次測量只能獲得一個參數(shù),操作要求高,難以實現(xiàn)自動化、快速化,并且價格昂貴,一般企業(yè)不具備;球桿儀無法隨意規(guī)劃測量路徑,為旋轉(zhuǎn)軸誤差辨識的測量步驟設計和理論解耦算法研究增加了難度,且球桿儀以磁力座配合精密球進行接觸式測量,需要在低速下運動以保證測量精度,很難適應快速化趨勢。
針對復雜異型零件的加工,多軸數(shù)控加工技術(shù)憑借其靈活、高效、高精的特點得到了廣泛應用和推廣,為滿足定期精度校準的需要,高效的機床誤差檢測與辨識方法就成為亟待解決的問題。
五軸聯(lián)動數(shù)控機床比傳統(tǒng)三軸數(shù)控機床多了兩個旋轉(zhuǎn)自由度,其回轉(zhuǎn)運動誤差測量常以具有高精度標準分度轉(zhuǎn)臺和多面體作為檢測工具,然而這種方法難以實現(xiàn)自動化,在國際上近年來大多采用高精度球桿儀。然而球桿儀無法隨意規(guī)劃測量路徑,為轉(zhuǎn)臺誤差辨識和標定研究增加了難度,且球桿儀以磁力座配合精密球進行接觸式測量,需要在低速下運動以保證測量精度,很難適應快速化趨勢。因此需要提出更多的旋轉(zhuǎn)臺誤差標定方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺誤差的標定方法,采用該方法可標定數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角誤差。
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺誤差的標定方法,在z軸上安裝差分光學測頭,在與z軸平行或同軸的旋轉(zhuǎn)臺上卡固曲面基準件,在所述曲面基準件上設有多組成對布置的曲面組,每組曲面設有一個曲面ⅰ和曲面ⅱ,每個曲面組內(nèi)的曲面ⅰ和曲面ⅱ設置在同一直徑上,相鄰兩個曲面組的中心線夾角是β,所述差分光學測頭設有一個數(shù)據(jù)處理模塊和兩個結(jié)構(gòu)相同的光學測頭,兩個所述光學測頭分別是光學測頭ⅰ和光學測頭ⅱ,所述光學測頭的光軸與z軸平行,所述差分光學測頭位于所述曲面基準件的上方,兩個所述光學測頭光軸間的距離與曲面ⅰ和曲面ⅱ中心間的距離相等;所述光學測頭包括激光器、孔徑光闌、反射鏡、分光棱鏡、成像透鏡和ccd相機,所述激光器發(fā)出的準直光束經(jīng)所述孔徑光闌縮成細直光束,細直光束經(jīng)所述反射鏡后入射到所述分光棱鏡中,1/2能量的反射光束投射到曲面內(nèi)的任意一點,該點反射的光束經(jīng)所述分光棱鏡透射后,通過所述成像透鏡成像在所述ccd相機上;采用所述差分光學測頭和所述曲面基準件標定旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角,具體步驟如下:1)通過標定得出光學測頭ⅰ的光軸在光學測頭ⅰ的ccd相機中的位置坐標o’1(x'o1,y'o1),通過標定得出光學測頭ⅱ的光軸在光學測頭ⅱ的ccd相機中的位置坐標o'2(x'o2,y'o2);2)調(diào)整機床旋轉(zhuǎn)臺處于起始零位,設定曲面基準件的設計零位與機床旋轉(zhuǎn)臺的起始零位重合,調(diào)整所述曲面基準件,使曲面ⅰ和曲面ⅱ對應第1曲面組,使所述曲面ⅰ位于光學測頭ⅰ的測量范圍內(nèi),所述曲面ⅱ位于所述光學測頭ⅱ的測量范圍內(nèi),且所述曲面ⅰ的中心線與所述光學測頭ⅰ的光軸平行,所述曲面ⅱ的中心線與所述光學測頭ⅱ的光軸平行,此位置作為曲面基準件的第一位置ai;3)此時曲面ⅰ上對應的測量點為a1(x1,y1),曲面ⅱ上對應的測量點為a2(x2,y2),所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理:3.1)獲取測量點a1(x1,y1)的坐標,具體步驟為:3.1.1)獲取光學測頭ⅰ的ccd相機中成像光斑中心位置坐標a1’(x1',y1');3.1.2)將步驟3.1)中的光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y;3.1.3)計算測量點a1斜率對應的角度:ξx1=arctan(s1x/f)/2,ξy1=arctan(s1y/f)/2,其中:ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;s1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離;s1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離;f代表成像透鏡的焦距;3.1.4)計算測量點a1(x1,y1)的坐標:x1=g(ξx1),y1=g(ξy1),其中:g(x)代表一元函數(shù);3.2)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3.1)相同的步驟,獲取測量點a2(x2,y2)的坐標為:x2=g(ξx2),y2=g(ξy2),其中:ξx2代表測量點a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;ξy2代表測量點a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;4)所述數(shù)據(jù)處理模塊獲取在測曲面ⅰ上的測量點a1與在測曲面ⅱ上的測量點a2之間的連線a1a2與在測曲面組的中心線o1o2的夾角,具體步驟如下:4.1)計算測量點a1(x1,y1)和在測曲面ⅰ中心o1(0,0)之間的距離:
本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:利用光學自由曲面設計自由高、加工精度高的特點,本發(fā)明提出的數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺誤差標定方法,采用曲面基準件配合差分光學測頭對旋轉(zhuǎn)臺誤差進行標定,具有快速,非接觸,精度高,成本低,安裝操作簡單等優(yōu)點,順應機床誤差檢測向快速化發(fā)展的趨勢。本發(fā)明具有基礎(chǔ)性和通用性,對數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺誤差的快速檢測具有重要意義,為數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸臺的旋轉(zhuǎn)角誤差檢測和標定提供了新的方法。
附圖說明
圖1為本發(fā)明應用的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明采用的差分光學測頭的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本發(fā)明采用的光學測頭的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本發(fā)明應用的測量光路示意圖;
圖5為本發(fā)明應用的測量原理示意圖;
圖6為本發(fā)明應用的曲面基準件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中:1、差分光學測頭;1-1、光學測頭ⅰ;1-2、光學測頭ⅱ;2、曲面基準件;2-1、曲面?。?-2、曲面ⅱ;3、激光器;4、孔徑光闌;5、反射鏡;6、分光棱鏡;7、成像透鏡;8、ccd相機。
具體實施方式
為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效,茲例舉以下實施例,并配合附圖詳細說明如下:
請參閱圖1至圖6,一種數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺誤差的標定方法,在z軸上安裝差分光學測頭1,在與z軸平行或同軸的旋轉(zhuǎn)臺上卡固曲面基準件2,在所述曲面基準件2上設有多組成對布置的曲面組,每組曲面設有一個曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2,每個曲面組內(nèi)的曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2設置在同一直徑上,相鄰兩個曲面組的中心線夾角是β,所述差分光學測頭1設有一個數(shù)據(jù)處理模塊和兩個結(jié)構(gòu)相同的光學測頭,兩個所述光學測頭分別是光學測頭ⅰ1-1和光學測頭ⅱ1-2,所述光學測頭的光軸與z軸平行,所述差分光學測頭1位于所述曲面基準件2的上方,兩個所述光學測頭光軸間的距離與曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2中心間的距離相等。
所述光學測頭包括激光器3、孔徑光闌4、反射鏡5、分光棱鏡6、成像透鏡7和ccd相機8,所述激光器3發(fā)出的準直光束經(jīng)所述孔徑光闌4縮成細直光束,細直光束經(jīng)所述反射鏡5后入射到所述分光棱鏡6中,1/2能量的反射光束投射到曲面內(nèi)的任意一點,該點反射的光束經(jīng)所述分光棱鏡6透射后,通過所述成像透鏡7成像在所述ccd相機8上。
采用所述差分光學測頭1和所述曲面基準件2標定旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角,具體步驟如下:
1)通過標定得出光學測頭ⅰ1-1的光軸在光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中的位置坐標o’1(x'o1,y'o1),通過標定得出光學測頭ⅱ1-2的光軸在光學測頭ⅱ1-2的ccd相機中的位置坐標o'2(x'o2,y'o2);
2)調(diào)整機床旋轉(zhuǎn)臺處于起始零位,設定曲面基準件2的設計零位與機床旋轉(zhuǎn)臺的起始零位重合,調(diào)整所述曲面基準件2,使曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2對應第1曲面組,使所述曲面ⅰ2-1位于光學測頭ⅰ1-1的測量范圍內(nèi),所述曲面ⅱ2-2位于所述光學測頭ⅱ1-2的測量范圍內(nèi),且所述曲面ⅰ2-1的中心線與所述光學測頭ⅰ1-1的光軸平行,所述曲面ⅱ2-2的中心線與所述光學測頭ⅱ1-2的光軸平行,此位置作為曲面基準件2的第一位置ai;
3)此時曲面ⅰ2-1上對應的測量點為a1(x1,y1),曲面ⅱ2-2上對應的測量點為a2(x2,y2),所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理:
3.1)獲取測量點a1(x1,y1)的坐標,具體步驟為:
3.1.1)獲取光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中成像光斑中心位置坐標a1'(x1',y1');
3.1.2)將步驟3.1)中的光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y;
3.1.3)計算測量點a1斜率對應的角度:
ξx1=arctan(s1x/f)/2(1)
ξy1=arctan(s1y/f)/2(2)
其中:ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;
ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;
s1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離;
s1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離;
f代表成像透鏡7的焦距;
3.1.4)計算測量點a1(x1,y1)的坐標:
x1=g(ξx1)(3)
y1=g(ξy1)(4)
其中:g(x)代表一元函數(shù);
3.2)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3.1)相同的步驟,獲取測量點a2(x2,y2)的坐標為:
x2=g(ξx2)(5)
y2=g(ξy2)(6)
其中:ξx2代表測量點a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;
ξy2代表測量點a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;
4)所述數(shù)據(jù)處理模塊獲取在測曲面ⅰ2-1上的測量點a1與在測曲面ⅱ2-2上的測量點a2之間的連線a1a2與在測曲面組的中心線o1o2的夾角,具體步驟如下:
4.1)計算測量點a1(x1,y1)和在測曲面ⅰ2-1中心o1(0,0)之間的距離:
4.2)計算測量點a2(x2,y2)和在測曲面ⅱ2-2中心o2(0,0)之間的距離:
4.3)計算在測曲面ⅰ2-1上的測量點a1與在測曲面ⅱ2-2上的測量點a2之間連線a1a2與在測曲面組中心線o1o2的夾角:
γ=arctan((d1+d2)/d0)(9)
其中:d0代表光學測頭ⅰ1-1光軸和光學測頭ⅱ1-2光軸的間距;
5)使旋轉(zhuǎn)臺做步進式旋轉(zhuǎn),計算曲面基準件2相對其設計零位的偏轉(zhuǎn)角度:
αi=γ+i·β(10)
其中:i代表旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)指令角度的步進次數(shù);
β代表旋轉(zhuǎn)臺的單次指令步進角度;
6)記錄當前曲面基準件2累積指令旋轉(zhuǎn)角度θi以及曲面基準件2相對其設計零位的偏轉(zhuǎn)角度αi;
7)重復步驟3)~步驟6)直到曲面基準件2旋轉(zhuǎn)一周;
8)計算旋轉(zhuǎn)臺的角度誤差值:
ei=θi-αi(11)
9)對步驟8)所得到的離散誤差值ei進行諧波分析,得到各次諧波函數(shù);
10)疊加各次諧波函數(shù),得到旋轉(zhuǎn)臺角度誤差的擬合函數(shù),在轉(zhuǎn)角θ處的角度誤差eθ為:
其中:a0為0次諧波幅值;
k為諧波次數(shù);
ak為k次諧波幅值;
αk為諧波相位;
n為360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)角誤差的采樣數(shù)量,即曲面組的個數(shù);
11)對旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角誤差進行補償,具體步驟為:
11.1)獲取機床旋轉(zhuǎn)臺的指令旋轉(zhuǎn)角度θ;
11.2)計算該旋轉(zhuǎn)角度下的旋轉(zhuǎn)角誤差eθ;
11.3)對機床指令旋轉(zhuǎn)角度進行補償,得到補償后的指令旋轉(zhuǎn)角度λ:
λ=θ-eθ(13)
其中:θ為指令旋轉(zhuǎn)角度;
eθ為在轉(zhuǎn)角θ處的角度誤差;
λ為補償后的指令旋轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明的應用實例:
在z軸上安裝差分光學測頭1,在與z軸平行或同軸的旋轉(zhuǎn)臺上卡固曲面基準件2,本實例中曲面ⅰ2-1為旋轉(zhuǎn)拋物面ⅰ和曲面ⅱ2-2為旋轉(zhuǎn)拋物面ⅱ,采用以下步驟進行標定:
1)通過標定得出光學測頭ⅰ1-1的光軸在光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中的位置坐標o’1(x'o1,y'o1),通過標定得出光學測頭ⅱ1-2的光軸在光學測頭ⅱ1-2的ccd相機中的位置坐標o'2(x'o2,y'o2);
2)調(diào)整機床旋轉(zhuǎn)臺處于起始零位,設定曲面基準件2的設計零位與機床旋轉(zhuǎn)臺的起始零位重合,調(diào)整所述曲面基準件2,使曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2對應第1曲面組,使所述曲面ⅰ2-1位于光學測頭ⅰ1-1的測量范圍內(nèi),所述曲面ⅱ2-2位于所述光學測頭ⅱ1-2的測量范圍內(nèi),且所述曲面ⅰ2-1的中心線與所述光學測頭ⅰ1-1的光軸平行,所述曲面ⅱ2-2的中心線與所述光學測頭ⅱ1-2的光軸平行,此位置作為曲面基準件2的第一位置ai;
3)此時曲面ⅰ2-1上對應的測量點為a1(x1,y1),曲面ⅱ2-2上對應的測量點為a2(x2,y2),所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理:
3.1)獲取測量點a1(x1,y1)的坐標,具體步驟為:
3.1.1)獲取光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中成像光斑中心位置坐標a1'(x1',y1');
3.1.2)將步驟3.1)中的光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y;
3.1.3)計算測量點a1斜率對應的角度:
ξx1=arctan(s1x/f)/2(14)
ξy1=arctan(s1y/f)/2(15)
其中:ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;
ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;
s1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離;
s1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離;
f代表成像透鏡7的焦距;
計算測量點a1的坐標:
∵旋轉(zhuǎn)拋物面的面型公式為:
其中:a2為旋轉(zhuǎn)拋物面的特征參數(shù);
為得到旋轉(zhuǎn)拋物面上任一點的斜率,對(16)式求一階導數(shù):
∴x1=a2tanξx1(19)
y1=a2tanξy1(20)
其中:ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;
ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;
同理,計算測量a2點的坐標:
x2=a2tanξx2(21)
y2=a2tanξy2(22)
其中:ξx2代表測量點a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角;
ξy2代表測量點a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角;
4)所述數(shù)據(jù)處理模塊獲取在測曲面ⅰ2-1上的測量點a1與在測曲面ⅱ2-2上的測量點a2之間的連線a1a2與在測曲面組的中心線o1o2的夾角,具體步驟如下:
4.1)計算測量點a1(x1,y1)和在測曲面ⅰ2-1中心o1(0,0)之間的距離:
4.2)計算測量點a2(x2,y2)和在測曲面ⅱ2-2中心o2(0,0)之間的距離:
4.3)計算在測曲面ⅰ2-1上的測量點a1與在測曲面ⅱ2-2上的測量點a2之間連線a1a2與在測曲面組中心線o1o2的夾角:
其中:d0代表光學測頭ⅰ1-1光軸和光學測頭ⅱ1-2光軸的間距;
5)使旋轉(zhuǎn)臺做步進式旋轉(zhuǎn),計算曲面基準件2相對其設計零位的偏轉(zhuǎn)角度:
αi=γ+i·β(26)
其中:i代表旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)指令角度的步進次數(shù);
β代表旋轉(zhuǎn)臺的單次指令步進角度;
6)記錄當前曲面基準件2累積指令旋轉(zhuǎn)角度θi以及曲面基準件2相對其設計零位的偏轉(zhuǎn)角度αi;
7)重復步驟3)~步驟6)直到曲面基準件2旋轉(zhuǎn)一周;
8)計算旋轉(zhuǎn)臺的角度誤差值:
ei=θi-αi(27)
9)對步驟8)所得到的離散誤差值ei進行諧波分析,得到各次諧波函數(shù);
10)疊加各次諧波函數(shù),得到旋轉(zhuǎn)臺角度誤差的擬合函數(shù),在轉(zhuǎn)角θ處的角度誤差eθ為:
其中:a0為0次諧波幅值;
k為諧波次數(shù);
ak為k次諧波幅值;
αk為諧波相位;
n為360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)角誤差的采樣數(shù)量,即曲面組的個數(shù);
11)對旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角誤差進行補償,具體步驟為:
11.1)獲取機床旋轉(zhuǎn)臺的指令旋轉(zhuǎn)角度θ;
11.2)計算該旋轉(zhuǎn)角度下的旋轉(zhuǎn)角誤差eθ;
11.3)對機床指令旋轉(zhuǎn)角度進行補償,得到補償后的指令旋轉(zhuǎn)角度λ:
λ=θ-eθ(29)
其中:θ為指令旋轉(zhuǎn)角度;
eθ為在轉(zhuǎn)角θ處的角度誤差;
λ為補償后的指令旋轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明的工作原理為:
在曲面基準件上圓周方式等間隔布置多組曲面組,曲面基準件隨待標定轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)運動,差分光學測頭在不同曲面組下對旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角進行誤差采樣,對得到的離散誤差采樣值使用諧波分析的方法得到各次諧波函數(shù),最終獲得誤差擬合函數(shù),根據(jù)得到的擬合函數(shù)獲取任意旋轉(zhuǎn)角處的誤差值后對數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)臺的指令旋轉(zhuǎn)角度進行實時的補償修正。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述,但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式,上述的具體實施方式僅僅是示意性的,并不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍的情況下,還可以做出很多形式,這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。