[发明专利]一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法

说明书

本发明公开了一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法，装置包括固定端和移动端，固定端上设有第一激光器、第二激光器、第三激光器、分光镜、聚焦透镜和位置敏感探测器，移动端上设有第一四象限探测器、第二四象限探测器和平面镜；第一激光器、第二激光器、第三激光器出射光平行，其中第一激光器与第二激光器出射的平行光分别照射在第一四象限探测器与第二四象限探测器，第一四象限探测器与第二四象限探测器均可以测量两个方向的直线度误差，利用两个四象限探测器测量的直线度误差可以求得滚转角；第三激光器出射的平行光经反射聚焦透镜聚焦在位置敏感探测器上，位置敏感探测器测量俯仰角与偏摆角。

技术领域

本发明属于机床误差测量领域，特别是机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法。

背景技术

数控机床的加工精度是机床的核心，机床误差测量并补偿是提高机床加工精度的重要手段之一。传统的机床误差测量方法有激光干涉仪检测法、双球规法、激光跟踪干涉仪检测法等，这些方法已经可以实现机床误差的高精度测量，但是难以实现多项几何误差的同时测量，且只能用于静态测量。数控机床在加工过程中，不只存在静态误差，还有动态误差，即随机误差，因此需要对数控机床误差进行实时测量。

三轴数控机床有4种结构，分别为TXYZ、XTYZ、XYTZ和XYZT，其中，字母T表示刀具，X、Y、Z表示坐标轴，T前面的各字母表示工件相对于固定基座的运动方向，T后面的字母表示刀具相对于固定基座的运动方向。针对常见的XYTZ型数控机床，研制了一款机床单轴五自由度误差测量装置，该装置可同时在线测量单轴五自由度误差，包括俯仰角、滚转角、偏摆角及两个直线度误差。认为机床光栅尺的精度足够高，故单轴定位误差不进行测量。机床三个轴中每两个轴之间的垂直度误差使用激光干涉仪测量，在机床工作过程中认为垂直度误差恒定不变。三轴数控机床共有21项几何误差，使用三套五自由度误差测量装置和激光干涉仪可以全部确定。

为实现机床误差补偿工作，需要建立机床误差模型，将已经测量出的21项几何误差代入模型，从而解算出机床X、Y、Z三个方向的空间误差。当前机床空间误差模型主要采用齐次坐标变换法，但该理论是基于机构运动学衍生出来，分析过程并未遵循阿贝原则、布莱恩原则，导致分析出的空间误差与实际测量值存在差异。针对传统的齐次坐标变换模型，考虑误差测量点偏位的影响，对模型进行修正。考虑五自由度误差测量装置的误差测量点偏位，对修正后的齐次坐标变换模型进行进一步地完善。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种机床五自由度误差测量装置及误差模型建立方法。本发明针对传统的齐次坐标变换模型，考虑误差测量点偏位的影响，对模型进行修正。考虑五自由度误差测量装置的误差测量点偏位，对修正后的齐次坐标变换模型进行进一步地完善。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种机床五自由度误差测量装置，包括固定端和移动端，所述固定端上设有第一激光器、第二激光器、第三激光器、分光镜、聚焦透镜和位置敏感探测器，移动端上设有第一四象限探测器、第二四象限探测器和平面镜；第一激光器、第二激光器、第三激光器出射光平行，其中第一激光器与第二激光器出射的平行光分别照射在第一四象限探测器与第二四象限探测器，第一四象限探测器与第二四象限探测器均可以测量两个方向的直线度误差，同时，在已知第一四象限探测器与第二四象限探测器距离的情况下，利用两个四象限探测器测量的直线度误差可以求得滚转角；第三激光器出射的平行光照射在平面镜上，反射光经分光镜反射，经聚焦透镜聚焦在位置敏感探测器上，位置敏感探测器用以测量俯仰角与偏摆角。

机床五自由度误差测量装置的误差模型建立方法，包括以下步骤：

(1)判断机床结构类型，根据机床结构类型分别在基座上建立参考坐标系；在X滑台、Y滑台、Z滑台上建立局部坐标系，各坐标系在机床位于初始位置时重合且原点位于刀具顶点；根据齐次坐标变换原理，建立误差转换矩阵；考虑X滑台、Y滑台、Z滑台运动过程中的各坐标系之间的关系，建立传统的齐次坐标变换模型；