[发明专利]一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法

权利要求书

1.一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据机床结构和回转轴位置，确定球杆仪的安装位置，然后单独测量回转轴的与位置无关的几何误差；

步骤2、采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差；

步骤3、结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变换矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦；通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。

2.根据权利要求1所述的基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，所述步骤1中，根据机床结构和回转轴位置，首先确定球杆仪的安装位置，然后单独测量回转轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤1.1、两个回转轴(A轴与C轴)分四步检测；球杆仪的主轴工具杯位于A轴回转中心上，球杆仪基座安装在C轴转台上，与C轴回转中心距离为100mm；利用相应机床代码，使得A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以检测A轴；

步骤1.2、利用加长杆将球杆仪延长50mm，检测A轴；安装150mm球杆仪时，应控制主轴在负X方向上位移，球杆仪基座的位置不变；A轴的回转角度同样为-20°-+70°，球杆仪运动过的轨迹为圆锥曲面的四分之一；

步骤1.3、在没有加长杆的情况下检测C轴，主轴工具杯位于C轴回转中心上，球杆仪基座位置不变，C轴进行0°-360°的回转运动；

步骤1.4、将球杆仪延长50mm，球杆仪基座位置不变，C轴进行0°-360°的回转运动，检测C轴。

3.根据权利要求1所述的基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤2.1、在X轴与C轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心100mm，主轴工具杯中心具有与基座工具杯中心相同的高度；两个工具杯之间的距离为150mm，即为带有50mm加长杆的球杆仪长度，运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿X轴移动，同时C轴进行0°-360°的回转运动；

步骤2.2、在Y轴与C轴测试中，基座位置保持不变；主轴工具杯中心与基座工具杯中心高度相同；运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿Y轴移动，Y轴移动的同时，C轴进行0°-360°的回转运动；

步骤2.3、在Z轴与A轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心处100mm，通过运行机床代码，使得主轴工具杯仅沿Z轴移动，同时，A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动。

4.根据权利要求1所述的基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，所述步骤3中，结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变换矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦，通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识，包括步骤：

步骤3.1、通过具体的测量方向得到X轴坐标与C轴回转角度的关系：

公式1也可以用来推导Y_m与Z_m，因为在YC与ZA测试中，回转半径都是100mm，球杆仪长度为150mm；

步骤3.2、以X轴为例，通过齐次变换矩阵得到线性轴与位置无关的几何误差的辨识矩阵：

T_X＝E_Y·E_Z·T_X，ideal (2)

同样的，Y轴与Z轴的与位置无关的几何误差的齐次变换矩阵如公式(3)和公式(4)所示：

T_Y＝E_X·E_Z·T_Y，ideal (3)

T_Z＝E_X·E_Y·T_Z，ideal (4)

由于回转轴具有四个与位置无关的几何误差，所以实际的回转轴齐次变换矩阵由五个矩阵构成，A轴与C轴的齐次变换矩阵如公式(5)和公式(6)所示：

T_A＝D_Y·D_Z·E_Y·E_Z·T_A，ideal (5)

T_C＝D_X·D_Y·E_X·E_Y·T_C，ideal (6)

步骤3.3、利用上述线性轴与回转轴的齐次变换矩阵，代入某一项与位置无关的几何误差数值，其它误差项设置为0，通过五轴机床模型进行仿真，即可得到该与位置无关的几何误差对于球杆仪实际运行轨迹的影响，通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。