[发明专利]三轴数控装备的几何运动误差的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械检测技术领域的方法，具体是一种三轴数控装备的几何运动误差的检测方法。

背景技术

三轴数控装备(包括三轴数控加工中心、三坐标测量机等)的几何运动精度是评价其性能的一项重要指标，它直接影响工件的加工(或者检测)精度、使用寿命和生产成本。提高三轴数控装备的几何运动精度是机械制造业的发展要求，而运动精度的高低是用运动误差的大小度量的，因此，运动误差的测量是数控装备制造维修中的关键技术。设备制造商可用机床或者坐标测量机的几何精度检测结果确定提高机床或者坐标测量机的精度设计是否有效。通过测量可以帮助他们优化影响数控装备精度的控制环工作参数。数控装备用户可用测量系统进行数控装备验收测试和数控装备周期测定。

三轴数控装备误差通常包括三类误差：几何运动误差、热误差以及切削力误差，其中几何误差为机床误差的主要部分。通常三轴数控装备的几何运动误差含有21项误差分量。三轴数控装备各项误差的建模与辨识是三轴数控装备误差检测的关键环节，模型的形式和辨识准确性直接影响误差检测的精确程度。机床常规检测和验收测试基本上只限于机床无负载时的几何结构，对三轴数控装备只限于测量位置处的精度。对于三轴数控装备而言，如何设计合适的测量方案，并从各项测量位置处所检误差中反求、辨识出三轴数控装备的上述21项单项误差分量，是三轴数控装备几何运动误差检测及误差溯源的关键所在。

经对现有技术的文献检索发现，中国申请号：01136635.4，申请公告号：CN1346964记载了一种“用于空间全位置和姿态的测量方法及其装置”，该技术公开了一种利用专用大尺寸球杆仪测量空间运动刚体(即运动坐标系)上的三个固定点相对于某固定坐标系中的三个定点的距离，得到两者之间3×3共9个中心距的长度数值；再从该球杆仪上的数显表或与该球杆仪相连接的计算机上读出上述9个中心距的长度数值，根据该9个长度参数列出9个非线性方程组，并采用詹重禧法解析该9个非线性方程组，即可求得上述待量测的物体的空间位置和姿态。但是该技术存在以下不足：由于钢球和磁性凹座之间的摩擦造成在进给速度高于10m/min时所测机床运动精度不稳定；仅能沿圆形插补半径方向进行测量；由于伸缩杆自重产生变形等原因，其综合测量精度难以达到微米级；采用最小二乘法来辨识各误差分量，但由于矩阵非满秩，使得解不唯一。

又经检索发现，中国申请号：200710049397.3，申请公告号：CN101096073记载了一种“用激光干涉法测量三轴数控装备圆轨迹的方法”，该技术公开了一种利用激光干涉法测量三轴数控装备圆轨迹，从而进行三轴数控装备的精度检测的方法。该方法的测量原理是位于三轴数控装备工作台上的直角坐标机构将三轴数控装备工作台与主轴的相对圆运动分解为X、Y两个方向的分量，用激光干涉仪测量出这两个分量值或它们的差值，根据测量值计算出圆运动的实际轨迹。但是该技术存在的问题是：安装及对光过程麻烦，对测量精度有影响；激光强度易受周围环境影响；测量周期长，测量效率低；同样存在采用最小二乘法来辨识各误差分量，但由于矩阵非满秩，使得解不唯一的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种三轴数控装备的几何运动误差的检测方法，利用平面光栅既可以测量三轴数控装备的直线运动误差，又可以测量圆运动误差的特点，首先分离出X导轨、Y导轨和Z导轨的直线度误差、位置误差和三根导轨之间的垂直度误差共12项误差分量，然后再分离三根导轨的9项转角误差分量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，以工作平台水平左右滑动的方向为y轴、水平垂直y轴的前后方向为x轴、以工作台台面中心为原点，竖直垂直x轴和y轴的方向为z轴，根据右手定则来建立XYZ直角坐标系，利用平面正交光栅测量系统对三轴数控设备进行测量处理，分别得到三轴数控装备XOY平面、YOZ平面和XOZ平面的直线轨迹运动误差数据s_XY(x)和s_XY(y)、s_YZ(y)和s_YZ(z)、s_YZ(y)和s_XZ(z)，以及绕XOY平面、YOZ平面和绕XOZ平面内原点的圆轨迹运动误差数据E_XOY、E_YOZ、E_XOZ。