[发明专利]一种数控机床旋转台误差的标定方法

权利要求书

1.一种数控机床旋转台误差的标定方法，其特征在于，在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转台上卡固旋转抛物面基准件，在所述旋转抛物面基准件上设有多组成对布置的旋转抛物面组，每组旋转抛物面设有一个旋转抛物面Ⅰ和旋转抛物面Ⅱ，每个旋转抛物面组内的旋转抛物面Ⅰ和旋转抛物面Ⅱ设置在同一直径上，相邻两个旋转抛物面组的中心线夹角是β，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头的光轴与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述旋转抛物面基准件的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与旋转抛物面Ⅰ和旋转抛物面Ⅱ中心间的距离相等；

所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到旋转抛物面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；

采用所述差分光学测头和所述旋转抛物面基准件标定旋转台的旋转角，具体步骤如下：

1)通过标定得出光学测头Ⅰ的光轴在光学测头Ⅰ的CCD相机中的位置坐标O′₁(x′_O1,y′_O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ的光轴在光学测头Ⅱ的CCD相机中的位置坐标O′₂(x′_O2,y′_O2)；

2)调整机床旋转台处于起始零位，设定旋转抛物面基准件的设计零位与机床旋转台的起始零位重合，调整所述旋转抛物面基准件，使旋转抛物面Ⅰ和旋转抛物面Ⅱ对应第1旋转抛物面组,使所述旋转抛物面Ⅰ位于光学测头Ⅰ的测量范围内，所述旋转抛物面Ⅱ位于所述光学测头Ⅱ的测量范围内，且所述旋转抛物面Ⅰ的中心线与所述光学测头Ⅰ的光轴平行，所述旋转抛物面Ⅱ的中心线与所述光学测头Ⅱ的光轴平行，此位置作为旋转抛物面基准件的第一位置A_I；

3)此时旋转抛物面Ⅰ上对应的测量点为A₁(x₁,y₁)，旋转抛物面Ⅱ上对应的测量点为A₂(x₂,y₂)，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：

3.1)获取测量点A₁(x₁,y₁)的坐标，具体步骤为：

3.1.1)获取光学测头Ⅰ的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A′₁(x′₁,y′₁)；

3.1.2)将步骤3.1)中的光斑中心位置坐标A′₁(x′₁,y′₁)转换为光斑中心距离光轴的距离s_1x、s_1y；

3.1.3)计算测量点A₁斜率对应的角度：

ξ_x1＝arctan(s_1x/f)/2

ξ_y1＝arctan(s_1y/f)/2

其中：ξ_x1代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y1代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

s_1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；

s_1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；

f代表成像透镜的焦距；

3.1.4)计算测量点A₁(x₁,y₁)的坐标：

x₁＝g(ξ_x1)

y₁＝g(ξ_y1)

其中：g(x)代表一元函数；

3.2)所述数据处理模块按照与步骤3.1)相同的步骤，获取测量点A₂(x₂,y₂)的坐标为：

x₂＝g(ξ_x2)

y₂＝g(ξ_y2)

其中：ξ_x2代表测量点A₂在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y2代表测量点A₂在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

4)所述数据处理模块获取在测旋转抛物面Ⅰ上的测量点A₁与在测旋转抛物面Ⅱ上的测量点A₂之间的连线A₁A₂与在测旋转抛物面组的中心线O₁O₂的夹角，具体步骤如下：

4.1)计算测量点A₁(x₁,y₁)和在测旋转抛物面Ⅰ中心O₁(0,0)之间的距离：

4.2)计算测量点A₂(x₂,y₂)和在测旋转抛物面Ⅱ中心O₂(0,0)之间的距离：

4.3)在γ为小角度情况下，近似计算在测旋转抛物面Ⅰ上的测量点A₁与在测旋转抛物面Ⅱ上的测量点A₂之间连线A₁A₂与在测旋转抛物面组中心线O₁O₂的夹角：

γ＝arctan((d₁+d₂)/d₀)

其中：d₀代表光学测头Ⅰ光轴和光学测头Ⅱ光轴的间距；

5)使旋转台做步进式旋转，计算旋转抛物面基准件相对其设计零位的偏转角度：

α_i＝γ+i·β

其中：i代表旋转台旋转指令角度的步进次数；

β代表旋转台的单次指令步进角度；

6)记录当前旋转抛物面基准件累积指令旋转角度θ_i以及旋转抛物面基准件相对其设计零位的偏转角度α_i；

7)重复步骤3)～步骤6)直到旋转抛物面基准件旋转一周；

8)计算旋转台的角度误差值：

E_i＝θ_i-α_i

9)对步骤8)所得到的离散误差值E_i进行谐波分析，得到各次谐波函数；

10)叠加各次谐波函数，得到旋转台角度误差的拟合函数，在转角θ处的角度误差E_θ为：

其中：a₀为0次谐波幅值；

k为谐波次数；

a_k为k次谐波幅值；

α_k为谐波相位；

N为360°内旋转角误差的采样数量，即旋转抛物面组的个数；

11)对旋转台旋转角误差进行补偿，具体步骤为：

11.1)获取机床旋转台的指令旋转角度θ；

11.2)计算该旋转角度下的旋转角误差E_θ；

11.3)对机床指令旋转角度进行补偿，得到补偿后的指令旋转角度λ：

λ＝θ-E_θ

其中：

θ为指令旋转角度；

E_θ为在转角θ处的角度误差；

λ为补偿后的指令旋转角度。