[发明专利]基于误差场特征点的三轴数控机床空间误差预测方法

权利要求书

1.一种基于误差场特征点的三轴数控机床空间误差预测方法，其特征在于，包括步骤：

a.测量机床三个运动轴误差及垂直度误差，获取三轴误差数据项；

b.根据三轴误差数据计算机床误差场特征点空间三项误差，并存储在数控系统中；

c.根据立方体8个顶点特征点误差数据预测机床空间非特征点误差补偿值；

在步骤b中，包括b1.计算工件运动链误差；

理想情况下工件运动链相对于参考坐标系位姿转换矩阵为：

其中为理想运动旋量，x、y为运动轴；为测量点即激光干涉仪安装位置相对于参考坐标系的初始位姿矩阵：

由于三轴机床直线轴存在6项运动误差，现将误差运动矢量加入到运动变换矩阵中；工作台上刀尖点位置相对于参考坐标系的实际转换矩阵表示为：

其中为实际运动矢量，ya、xa为实际运动轴方向，为Y轴运动误差矢量转换矩阵，为X轴运动误差矢量转换矩阵；为测量点实际相对于参考坐标系的刚体转换矩阵；

对于直线轴，运动矢量和矢量矩阵表示为：

其中v_i移动轴方向的单位向量；

因此，工件运动链的位置和角度误差可以表示为刀尖点实际位置和姿态减去刀尖点的理想位置和姿态：

其中ΔP_bw代表刀尖点在参考坐标系中的误差，p_w＝[X_tw Y_tw Z_tw]代表刀尖点在以测量点为原点的局部坐标系中的坐标；

联立式1-1到1-3求得：

2.根据权利要求1所述的基于误差场特征点的三轴数控机床空间误差预测方法，其特征在于：在步骤a中，包括a1.确定机床三个轴上的误差测点；根据三个运动轴的最大行程，保证等间距测量的原则，选取X轴测点数为m、Y轴测点数为n、Z轴测点数为k，其中：m，n，k为自然数。

3.根据权利要求2所述的基于误差场特征点的三轴数控机床空间误差预测方法，其特征在于：在步骤a中，包括a2.采用激光干涉仪测量21项误差数据项；具体的包括：a21.测量X轴6项误差数据项；a22.测量Y轴6项误差数据项；a23.用X轴与Y轴数据，计算X轴与Y轴垂直度误差；a24.测量Z轴6项误差；a25.用X轴与Z轴数据，计算X轴与Z轴垂直度误差；a26.重新安装干涉仪激光头，测量Y轴6项误差数据及Z轴6项误差数据，用Y轴与Z轴误差数据计算Y轴与Z轴垂直度误差；完成机床三运动轴所有误差项的测量。

4.根据权利要求1所述的基于误差场特征点的三轴数控机床空间误差预测方法，其特征在于：在步骤b中，包括b2.计算刀尖点运动误差；

刀具工具链由Z轴和刀具组成，理想情况下刀具运动链相对于参考坐标系位姿转换矩阵为：

同理由于直线轴的运动误差，包括1项定位误差、两项直线度误差、三项角度误差的存在，引入误差运动矢量；工作台上刀尖点位置相对于参考坐标系的实际转换矩阵可表示为：

其中为实际运动矢量，za为实际运动轴方向,为Z轴运动误差矢量转换矩阵，为实际相对于参考坐标系的刚体转换矩阵；

因此，工件运动链的位置和角度误差可以表示为刀尖点实际位置和姿态减去刀尖点的理想位置和姿态：

其中ΔP_bt代表刀尖点在工件坐标系中的误差,p_tt＝[X_tt Y_tt Z_tt]代表刀尖点以测量点为原点的坐标系中的坐标；

联立式1-5到1-7求解，刀具运动链相对于参考坐标系误差为：

5.根据权利要求4所述的基于误差场特征点的三轴数控机床空间误差预测方法，其特征在于：在步骤b中，包括b3.确定机床空间误差特征点；

根据机床X轴、Y轴、Z轴等间距测量原则，将机床整个行程空间划分为m×n×z个正方体空间，每个小正方体的8个顶点视为机床空间误差特征点，其中落于正方体内的点为非特征点。