[发明专利]运动学校准

说明书

本发明涉及运动学校准。本发明涉及一种用于数控机床（1）的校准方法，该方法使用运动学模型来生成补偿模型以用于随着机床（1）的线性轴线（X、Y、Z）和旋转轴线（B、C、A）的运动而发生的定位误差。所述校准方法采用测量序列来测量校准球（6）的位置，该测量序列包括校准球（6）围绕两个旋转轴线（C、B或C、A）的组合运动，其中围绕第一旋转轴线（C）的测量包括围绕第二轴线（B或A）的至少两个旋转位置运动。

技术领域

本发明涉及一种用于数控机床的校准方法，该方法使用运动学模型来生成用于随着机床的线性和旋转轴线的运动发生的定位误差的补偿模型。

背景技术

测量定位误差并导出补偿模型以补偿随着机床的机床工作台或机头的运动发生的定位误差的校准方法是众所周知的。如铣床、激光加工机床、磨床、电火花机加工或车床的多轴机床具有使工作台和机头（机轴）相对于彼此运动的多个自由度。多轴机床上可用的自由度允许并有助于机加工工件。尤其，能够在同一机床上并且在一个机加工过程中进行工件的复杂机加工操作，而不需要改变在机床的工作台上的工件位置。通常，现代机床提供分别在机床的X、Y、Z方向上的3个线性平移运动以及通常一个或两个旋转运动。图1示出了具有3个线性自由度和2个旋转自由度的典型的多轴机床。尽管现代多轴机床具有很高的精度，但由于工作台或机头的线性或旋转运动而导致的几何定位误差无法避免。

已知的是，校准多轴机床使得由机器轴线的运动造成的发生的定位误差由机器控制系统识别并且在工作台或机轴的定位期间被补偿。通过应用这种校准和补偿方法，提高了机床的定位精度。已经存在用于获得运动学误差的测量和分析方法（例如，所谓的R-测试，参见文献[1]），然而这样的系统涉及不适合于现场应用的特定测量系统，因为在其应用时太耗时或者太昂贵。

若干机器控制器制造商使用接触式探头测量系统（例如，Heidenhain[2]的接触式探头循环451）提供用于具有旋转和线性轴线的机床的运动学校准的解决方案。然而，所提供的解决方案一次仅考虑基于一个旋转轴线的优化，但是这限制了多轴机床的校准质量。

文献DE 10 2015 221 001 A1和DE 10 210 038 783 A1公开了此类几何误差识别和补偿系统。然而，此类系统在一些情况下可能不太准确，因为运动学误差是基于定位误差的子集来确定的，即，基于通过改变一个旋转轴线的位置并将另一个旋转轴线保持在一个位置中而进行的测量来确定与该旋转轴线相关的运动学误差，然后针对另一个旋转轴线重复该过程。

公开文献EP 1 914 612 B1公开了一种使用运动学表格来补偿定位误差的运动学模型。对于在相应轴向方向以外的方向上具有误差的机器轴线，将取决于轴向位置的误差变换量输入到运动学表格中。数字控制基于由运动学表格定义的运动链将机床的设定点位置（例如，以工件坐标被预定）转换为机器轴线的设定点位置。

US2015/0177727 A1和DE 10 2014 018518 A1分别公开了一种数字控制器，该数字控制器设置有校正由机器运动引起的位移误差的功能。根据该文献，限定了工件区域周围的测量网格，针对不同的旋转轴线位置测量网格，并针对不同的线性和旋转轴线位置确定校正图。

文献US 20150160049 A1公开了用于多轴机床的另一种几何误差识别方法。所引用的方法包括测量步骤：从围绕旋转轴线的多个角度对安装在工作台上的目标球的位置进行索引，使目标球围绕该旋转轴线旋转一定量，并且通过使用安装在主轴上的接触式探头重新测量该目标球在相应的索引位置处的位置。该方法包括根据目标球的测量位置来计算几何误差的几何误差计算步骤。由目标球的所测量的定位误差导出椭圆表示，并且计算定位误差校正步骤以校正平移轴线（X、Y和Z）上的位置，以便补偿由一个旋转轴线引起的定位误差。

文献US 8786243 B2描述了一种用于确定用于数控机床的误差图的方法。测量点被限定，并且在不同的旋转轴线位置处测量它们的位置，从其导出由那些测量点的旋转而导致的定位误差。基于这些测量生成用于定位误差的多维校正表格。

发明内容