[发明专利]数控机床平动轴几何误差的测量装置及测量与辨识方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量技术，特别涉及基于位姿测量的数控机床平动轴几何误差检测与辨识。

背景技术

机床是制造机器的机器，机床的质量对制造业的发展有着决定性的影响，而机床本身的精度又是判别机床质量好坏的最重要的标准。提高机床加工精度的方法有两种：一是提高机械精度。这种方法最初被广泛采用，但是随着对加工精度的进一步提高，费用也成指数形式增长，经济性不好。第二种方法就是误差补偿。这种方法代价小、周期短、效率高，一经提出便被广泛研究与采用。因此，快速准确地测出机床的误差并进行补偿，是提高机床加工精度的有效途径。

在众多影响机床加工精度的误差诸如几何误差、热变形误差、力变形误差、动态误差等中，几何误差对加工精度的影响最大，达到40%以上。由于几何误差有稳定性好、重复性好、又易于测量等特点，因此是机床误差补偿的主要研究方向。

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。将激光跟踪测量系统应用于机床误差检测领域，相比目前常用的实物基准测量法、双球杆仪测量法、正交光栅测量法、激光干涉测量法等静态测量法，有着无可比拟的优势。

单台激光跟踪仪测量时可以同时提供一个测距信息和两个转角信息。利用一台激光跟踪仪便可以确定被测物体在激光跟踪仪所建立的球坐标系中的相对坐标。但是角度编码器随着距离的加大带来的位置误差亦很大，影响到整体精度，只能用于精度要求较低的场合。激光跟踪仪是利用激光测距，所以测距精度很高，因而有人就提出了运用多台激光跟踪仪同时测量的方法，即多边法原理。这种方法大大提高测量精度和测量范围。但是需要至少四台激光跟踪仪同时对目标点进行测量，大大增加了测量成本。多站分时测量法很好的解决了成本问题，但是只测量刀具轨迹，为后续数据处理带来了很大的麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床平动轴几何误差的测量装置及测量与辨识方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种数控机床平动轴几何误差的测量装置，该测量装置包括一台激光跟踪仪、与所述激光跟踪仪相对设置的猫眼以及可回转的猫眼托架，猫眼与猫眼托架相连，猫眼托架设置于机床刀具安装位置。

所述猫眼托架包括回转轴以及与回转轴相连的摆杆，猫眼设置于摆杆上。

所述猫眼托架还包括用于精密定位回转轴的回转位置的定位销。

所述猫眼托架还包括与回转轴相连的回转轴固定架，回转轴固定架设置于机床刀具安装位置。

一种数控机床平动轴几何误差的测量与辨识方法，包括以下步骤：

1）检测前，利用三坐标测量机标定猫眼托架六个固定点的相对空间坐标位置，所述猫眼托架包括回转轴以及与回转轴相连的摆杆，摆杆上设置有猫眼，六个固定点为猫眼绕回转轴旋转一周的六个不同位置；

2）经过步骤1）后，将猫眼托架固定安装在机床刀具安装位置处，然后以猫眼托架的回转中心为坐标原点O，以过坐标原点和第一个固定点的直线为X轴，设定坐标原点、第一个固定点以及第二个固定点所确定的平面为XOY平面，以XOY平面内过坐标原点垂直于X轴的直线为Y轴，以过坐标原点垂直于XOY平面的直线为Z轴，然后按照右手法则建立位置固定的笛卡尔坐标系；

3）利用六个固定点在笛卡尔坐标系的位置坐标完成激光跟踪仪在四个基站的标定；在机床刀具进给过程中，利用激光跟踪仪在四个基站的空间坐标值连续标定所述六个固定点中三个固定点的坐标，得到所述三个固定点的空间轨迹；

4）连接所述三个固定点的空间轨迹上的对应点，得到连续多个三角形的空间位姿；

5）求三角形的法向量，定义初始三角形的法向量为初始法向量，后续三角形的法向量为后续法向量，以初始法向量为参考，后续法向量绕X、Y、Z轴中的两个轴各旋转一次，使后续法向量与初始法向量重合，两个旋转角即为两项旋转角误差；

6）利用后续法向量与X、Y、Z轴的夹角关系求解出第三项旋转角误差；

7）利用步骤5）所得到的两项旋转角误差使后续三角形分别绕步骤5）中所述两个轴逆向旋转，经过旋转，所有后续三角形与初始三角形平行，后续三角形上任意一点与初始三角形上对应点的空间坐标差值即为定位误差和两项直线度误差。

所述步骤3）的具体实施流程包括：