專利名稱：三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種三軸數(shù)控裝備的幾何 運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
三軸數(shù)控裝備(包括三軸數(shù)控加工中心、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等)的幾何運(yùn)動(dòng)精度是評(píng) 價(jià)其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接影響工件的加工(或者檢測(cè))精度、使用壽命和生產(chǎn)成 本。提高三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)精度是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展要求，而運(yùn)動(dòng)精度的高低是用 運(yùn)動(dòng)誤差的大小度量的，因此，運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量是數(shù)控裝備制造維修中的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)備制 造商可用機(jī)床或者坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的幾何精度檢測(cè)結(jié)果確定提高機(jī)床或者坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度 設(shè)計(jì)是否有效。通過測(cè)量可以幫助他們優(yōu)化影響數(shù)控裝備精度的控制環(huán)工作參數(shù)。數(shù)控裝 備用戶可用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控裝備驗(yàn)收測(cè)試和數(shù)控裝備周期測(cè)定。三軸數(shù)控裝備誤差通常包括三類誤差幾何運(yùn)動(dòng)誤差、熱誤差以及切削力誤差，其 中幾何誤差為機(jī)床誤差的主要部分。通常三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差含有21項(xiàng)誤差分 量。三軸數(shù)控裝備各項(xiàng)誤差的建模與辨識(shí)是三軸數(shù)控裝備誤差檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，模型的形 式和辨識(shí)準(zhǔn)確性直接影響誤差檢測(cè)的精確程度。機(jī)床常規(guī)檢測(cè)和驗(yàn)收測(cè)試基本上只限于機(jī) 床無負(fù)載時(shí)的幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)三軸數(shù)控裝備只限于測(cè)量位置處的精度。對(duì)于三軸數(shù)控裝備而 言，如何設(shè)計(jì)合適的測(cè)量方案，并從各項(xiàng)測(cè)量位置處所檢誤差中反求、辨識(shí)出三軸數(shù)控裝備 的上述21項(xiàng)單項(xiàng)誤差分量，是三軸數(shù)控裝備幾何運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)及誤差溯源的關(guān)鍵所在。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國申請(qǐng)?zhí)?01136635. 4，申請(qǐng)公告號(hào) CN1346964記載了一種“用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法及其裝置”，該技術(shù)公開了一種 利用專用大尺寸球桿儀測(cè)量空間運(yùn)動(dòng)剛體(即運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系)上的三個(gè)固定點(diǎn)相對(duì)于某固定 坐標(biāo)系中的三個(gè)定點(diǎn)的距離，得到兩者之間3X3共9個(gè)中心距的長度數(shù)值；再從該球桿儀 上的數(shù)顯表或與該球桿儀相連接的計(jì)算機(jī)上讀出上述9個(gè)中心距的長度數(shù)值，根據(jù)該9個(gè) 長度參數(shù)列出9個(gè)非線性方程組，并采用詹重禧法解析該9個(gè)非線性方程組，即可求得上述 待量測(cè)的物體的空間位置和姿態(tài)。但是該技術(shù)存在以下不足由于鋼球和磁性凹座之間的 摩擦造成在進(jìn)給速度高于lOm/min時(shí)所測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度不穩(wěn)定；僅能沿圓形插補(bǔ)半徑方向 進(jìn)行測(cè)量；由于伸縮桿自重產(chǎn)生變形等原因，其綜合測(cè)量精度難以達(dá)到微米級(jí)；采用最小 二乘法來辨識(shí)各誤差分量，但由于矩陣非滿秩，使得解不唯一。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國申請(qǐng)?zhí)?00710049397. 3，申請(qǐng)公告號(hào)CN101096073記載了
一種“用激光干涉法測(cè)量三軸數(shù)控裝備圓軌跡的方法”，該技術(shù)公開了一種利用激光干涉法 測(cè)量三軸數(shù)控裝備圓軌跡，從而進(jìn)行三軸數(shù)控裝備的精度檢測(cè)的方法。該方法的測(cè)量原理 是位于三軸數(shù)控裝備工作臺(tái)上的直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)將三軸數(shù)控裝備工作臺(tái)與主軸的相對(duì)圓運(yùn) 動(dòng)分解為X、Y兩個(gè)方向的分量，用激光干涉儀測(cè)量出這兩個(gè)分量值或它們的差值，根據(jù)測(cè) 量值計(jì)算出圓運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡。但是該技術(shù)存在的問題是安裝及對(duì)光過程麻煩，對(duì)測(cè)量精 度有影響；激光強(qiáng)度易受周圍環(huán)境影響；測(cè)量周期長，測(cè)量效率低；同樣存在采用最小二乘法來辨識(shí)各誤差分量，但由于矩陣非滿秩，使得解不唯一的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的 檢測(cè)方法，利用平面光柵既可以測(cè)量三軸數(shù)控裝備的直線運(yùn)動(dòng)誤差，又可以測(cè)量圓運(yùn)動(dòng)誤 差的特點(diǎn)，首先分離出X導(dǎo)軌、Y導(dǎo)軌和Z導(dǎo)軌的直線度誤差、位置誤差和三根導(dǎo)軌之間的 垂直度誤差共12項(xiàng)誤差分量，然后再分離三根導(dǎo)軌的9項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差分量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步，以工作平臺(tái)水平左右滑動(dòng)的方向?yàn)閥軸、水平垂直y軸的前后方向?yàn)閄 軸、以工作臺(tái)臺(tái)面中心為原點(diǎn)，豎直垂直χ軸和y軸的方向?yàn)棣戚S，根據(jù)右手定則來建立XYZ 直角坐標(biāo)系，利用平面正交光柵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)三軸數(shù)控設(shè)備進(jìn)行測(cè)量處理，分別得到三軸數(shù) 控裝備XOY平面、YOZ平面和XOZ平面的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)SxY(X)和sXY(y)、sYZ(y)和 Syz(Z)、sYZ(y)和Sxz(Z)，以及繞XOY平面、YOZ平面和繞XOZ平面內(nèi)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差
數(shù)據(jù) Ex0Y Λ Ey0z Λ Εχ0ΖΟ其中SxY(X)和sXY(y)分別指XOY平面內(nèi)沿著X方向和Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤 差數(shù)據(jù)；sYZ(y)和Syz(Z)分別指YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)； Sxz(X)和Sxz(Z)分別指XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；Exot、Etoz、 Exoz分別指XOY平面、YOZ平面、XOZ平面內(nèi)以一定半徑R作平面圓軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)所得實(shí)際圓 軌跡點(diǎn)坐標(biāo)和理論圓軌跡點(diǎn)坐標(biāo)之間的徑向誤差坐標(biāo)矢量數(shù)據(jù)。所述的平面正交光柵測(cè)量系統(tǒng)，包括平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭、IK220數(shù)據(jù)采集卡、 數(shù)據(jù)處理模塊、Φ20的刀柄、固定裝置和三軸數(shù)控裝備，其中平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭和 IK220數(shù)據(jù)采集卡相連傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，IK220數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理模塊相連傳輸測(cè)量數(shù) 據(jù)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)辨識(shí)和顯示，平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭安裝在刀柄以便于固定在三軸數(shù)控裝 備，平面檢測(cè)光柵碼盤固定在固定裝置上。所述的測(cè)量處理，包括以下步驟1)將平面檢測(cè)光柵碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的XOY平面，在KGM自由 曲線測(cè)試狀態(tài)下，令讀數(shù)頭沿x、Y方向各往返測(cè)量若干次，分別得到XOY平面內(nèi)沿著X方向 和Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；在KGM圓軌跡測(cè)量狀態(tài)下，令讀數(shù)頭以XOY平面內(nèi)平面 檢測(cè)光柵碼盤安裝中心坐標(biāo)點(diǎn)為圓心，以R為半徑沿圓軌跡運(yùn)動(dòng)若干次，得到XOY平面內(nèi)圓 軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)。其中，R的取值范圍是30mm 70mm。2)分別將平面檢測(cè)光柵碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的XOZ平面和YOZ平 面內(nèi)，測(cè)量得到XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)、XOZ平面內(nèi)圓軌 跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，以及YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)、YOZ平面 內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)。第二步，通過直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法對(duì)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Exot、 Eyoz, Exoz進(jìn)行辨識(shí)，分別得到三軸數(shù)控設(shè)備X軸的位置誤差δ xX，Y軸的位置誤差δ yY，Z軸 的位置誤差Szz，X軸在Y方向上的直線度誤差Syx，Y軸在X方向上的直線度誤差δχΥ，X 軸在Z方向上的直線度誤差δ ζΧ，Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ，Y軸在Z方向上的直 線度誤差Szy，Z軸在Y方向上的直線度誤差Syz，X軸與Y軸之間的垂直度誤差Exy，Y軸與Z軸之間的垂直度誤差￡yz，和X
NδχΧ =^ikxxnXXn)
η 二1軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ，其中~=i>>> X^)，kxm、kyyn、kzzj1^X
η 二1
軸、Y軸、
_7] Szz=Yd(KzXZn)
η二1Syx=^ikyxn ΧΧη)δ^=Σ(Κπ XX")
η=\η=\Z 軸伸縮的第 η 階分量的系數(shù)，^v =Td(KnXyn)Szy = h X/), kyxn，kzxn 為 X
n=\n=\δχζ = ΣWvz = Jjkyzn ΧΖ")
η=\η=\導(dǎo)軌在Y軸和Z軸方向上直線度誤差的第η階分量的系數(shù)；kxyn，kzyn為Y導(dǎo)軌在X 軸和ζ軸方向上直線度誤差的第η階分量的系數(shù)；kxzn，kyzn為Z導(dǎo)軌在X軸和Y軸方向上直 線度誤差的第η階分量的系數(shù)。一般η取值為3，即各項(xiàng)誤差各自辨識(shí)前3階誤差分量的系
ε =b
數(shù)，=byz,hYX為X導(dǎo)軌和Y導(dǎo)軌垂直度誤差分量的系數(shù)；byz為Z導(dǎo)軌和Y導(dǎo)軌垂直度誤
Exz = bxz
差分量的系數(shù)；bxz為X導(dǎo)軌和Z導(dǎo)軌垂直度誤差分量的系數(shù)。所述的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Sxy(X)和沿著Y方向的 直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sXY(y)，利用最小二乘擬合方法分別得到X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤 差數(shù)據(jù)所包含的直線Trend (χ) = ^db1和沿著Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)所包含的 趨勢(shì)直線Trend(y) = a2y+b2，其中 、Id1和a2、b2為通過最小二乘擬合求出的趨勢(shì)直線的 參數(shù)；X軸與Y軸之間的垂直度誤差ε xy，具體是ε xy = π /2-β2+&1 ；X軸在Y方向上的直線度誤差Syx，具體是Syx= SxY(x)-alX;Y軸在X方向上的直線度誤差δχγ，具體是δχγ= SxY(y)-a2y ；Y軸的位置誤差SyY，具體是SyY = AVg_SX-YQ，其中Avg_Sx是Syx的平均值，Y。 是待檢測(cè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)；X軸的位置誤差δχΧ，具體是SxX = Avg_Sy-XQ，其中Avg_Sy是δχΥ的平均值，Xtl 是待檢測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)；2)提取XOZ平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Sxz(X)和沿著Z方向的直 線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sxz(z)，得到Z軸的位置誤差δ ζΖ、Χ軸在Z方向上的直線度誤差δζχ、 Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ ；提取YOZ平面內(nèi)沿著Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sYZ (Y)和沿著Z方向的直線 軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Syz(Z)，得到Y(jié)軸在Z方向上的直線度誤差δ zY、Z軸在Y方向上的直線度誤差Syz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差ε Ζ。第三步，通過圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法對(duì)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Exot、 EY0Z,EX0Z進(jìn)行辨識(shí)，得到X、Y、Z三個(gè)軸的9項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)性轉(zhuǎn)角誤差，具體分為X軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦 稱滾角誤差)εχ(Χ)、俯仰誤差ε Υ(Χ)和偏擺誤差εζ(Χ)，Υ軸的滾轉(zhuǎn)誤差￡Y(y)、俯仰誤差 ￡z(y)和偏擺誤差￡x(y)，Z軸的滾轉(zhuǎn)誤差εζ(ζ)、俯仰誤差εχ(ζ)和偏擺誤差εγ(ζ),
NNNεχ(χ) = ^iaxxn χχη)εγ(χ) =χχη)εζ(χ) = ^(a^ xxn)
n=\n=\n=\
NNN￡x{y) = T^iaxyn Χ/) ω = Σ(Ω), χ/)Α(3θ = Σ( X/)，axxn、ayxn、azxn
n=\n=\n=\
NNN￡x(z) = T^iaxznX zn)￡Yiz) =χζ")￡ζ(ζ) =
η=\η=\η=\分別為X導(dǎo)軌的側(cè)滾誤差、俯仰誤差和偏轉(zhuǎn)誤差的第η階分量的系數(shù)；axyn、ayyn、 azyn分別為Y導(dǎo)軌的俯仰誤差、側(cè)滾誤差和偏轉(zhuǎn)誤差的第η階分量的系數(shù)；axzn、ayzn、azzn分 別為Z導(dǎo)軌的俯仰誤差、偏轉(zhuǎn)誤差和側(cè)滾誤差的第η階分量的系數(shù)。一般η取值為3，即各 項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差各自辨識(shí)前3階誤差分量的系數(shù)。所述的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控裝備XOY平面內(nèi)作圓 運(yùn)動(dòng)的徑向誤差坐標(biāo)矢量Exot與各誤差分量Pxot的對(duì)應(yīng)關(guān)系(即對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程)-.Exoy = ΟχογΧΡχογ，其中Exoy =E1= [AR(O) + kx>、y2 cos θ + k^ y3 cos θ - kxx< χ cos θ + k 外 χ1 sin θ + ky%x3 sin θ_ kyy> γ ηθ + xbxy sin Θ]為在各個(gè)測(cè)量位置處的徑向誤差組成的列向量，式中θ、x、y分別為XOY平面內(nèi)測(cè) 量數(shù)據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值、以及測(cè)量平面內(nèi)的x、y坐標(biāo)值，θ )為XOY平面內(nèi)圓軌跡以 R半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向誤差分量。Qxoy = Q1 =
為系數(shù)擬合矩陣，其中0Β。Ζ為刀尖點(diǎn)在主軸坐標(biāo)系中的Z軸坐標(biāo)值。Pxoy =Pi= [am, am, αχν, , αζ}, , , αζ>, , αζΧ{, α^, α 巧,αΧ}, , αχ>、_, α 明]Γ 為 X 軸的偏擺誤差 εζ(χ)、Y軸的滾轉(zhuǎn)誤差￡Y(y)、Y軸的俯仰誤差ε z(y)，和Y軸的偏擺誤差￡x(y)等幾何 誤差分量的多項(xiàng)式系數(shù)矩陣。上述式中byx為X軸與Y軸之間的垂直度誤差分量Sxy的系數(shù)，exy= ε yx = byx ； byz為Z軸與Y軸之間的垂直度誤差分量￡yz的系數(shù)，￡yz= ￡zy = byz;bxz為X軸與Z軸之 間的垂直度誤差分量ε χζ的系數(shù)，ε χζ = ε ζχ = bxz。利用最小二乘法擬合得到P1 = (Q1tXQ1F1XQ1tXE1，從而得到Y(jié)軸的滾轉(zhuǎn)誤差 εγω、Υ軸的俯仰誤差￡z(y)、Y軸的偏擺誤差εχω和X軸的偏擺誤差ε ζ (χ)等轉(zhuǎn)角性 誤差多項(xiàng)式的1-3各階系數(shù)ayyn、azyn、axyn和azxn，η = 1、2、3)。2)提取XOZ平面內(nèi)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控設(shè)備XOZ平面內(nèi)的誤差 坐標(biāo)矢量與測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程Exqz = QxqzXPxqz,其中
9
Pxoz = [ayQxoz = [-x2sin θ -xzcos θ , -x3sin θ -x2zcos θ , -x4sin θ -x3zcos θ , -Lzcos θ , -L Z2Cos θ , -Lz3COS θ ]
Exoz = [AR(B) - δχ(χ) cos θ - ζφζχ cos θ - δ, (ζ) sin θ + δζ (χ) sin θ]其中θ、χ、ζ分別為XOZ平面內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值、以及測(cè)量平面內(nèi)的 x/z坐標(biāo)值。L為刀柄的長度(或者為測(cè)量接桿長度)，Δ R(e)為XOZ平面內(nèi)圓軌跡以R 半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向誤差分量，S為前述各項(xiàng)移動(dòng)性誤差分量，根據(jù)上式做最小二乘擬合得 到Pxoz = (QTxoz X Qxoz) < X Exo/ X Exoz，從而擬合、分離辨識(shí)出X軸的俯仰誤差ε Y (X)和Z軸的 偏擺誤差ε Υ(Ζ)等轉(zhuǎn)角性誤差多項(xiàng)式的1-3各階系數(shù)azyn、ayxn，η = 1、2、3)。 3)提取YOZ平面內(nèi)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控設(shè)備YOZ平面內(nèi)的誤差 坐標(biāo)矢量與測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程Etoz = QtozXPtoz，其中Pyoz = [ax
zl' axz2' axz3' axxl' axx2' axx3' ζζ1' azz2' azz3」Qyoz = [Lzcos θ , Lz2Cos θ , Lz3Sin θ , zxcos θ +yc sin θ , zx2cos θ +yx2sin θ , ζχ 3Cos θ +yz3sin θ , -CZCOS θ , -cz2cos θ , -cz3cos θ ]
Eyoz =-[(ζ + Obcz )￡x(y) + χε,(χ) + Sy (ζ) + Sy(y) - z￡y(z) - c^Jcos θ
-y￡x(y) sin θ + c￡y (χ) sin θ-δ, (ζ) sin θ+ δ, (χ) sin + sin θ]其中χ為定值，θ、y、ζ分別為YOZ平面內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值、以及 測(cè)量平面內(nèi)的y/z坐標(biāo)值，L為刀柄的長度(或者為測(cè)量接桿長度)；AR(e)為YOZ 平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向誤差分量。根據(jù)上式做最小二乘擬合得到Ptoz = (QtyozXQyoz)-1XEyoztXEyoz,從而擬合、分離辨識(shí)擬合可得到Z軸的俯仰誤差ε χ(ζ)、滾轉(zhuǎn)誤 差εζ(ζ)和X軸俯仰誤差εζ(χ)的轉(zhuǎn)角誤差多項(xiàng)式的各級(jí)系數(shù)axzn、azzn和azxn，η = 1、2、 3)。至此，所有三軸數(shù)控裝備的21項(xiàng)幾何運(yùn)動(dòng)誤差全都檢測(cè)完畢。本發(fā)明所涉及的一種檢測(cè)方法廣泛適用于各種三軸數(shù)控裝備幾何運(yùn)動(dòng)綜合誤差 的檢測(cè)，包括各種立式、臥式3軸數(shù)控加工中心以及各種形式三軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的幾何運(yùn)動(dòng) 誤差檢測(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是對(duì)一般的三軸數(shù)控裝備，以平面光柵為測(cè) 量工具，使用分步誤差分量辨識(shí)方法，可成功地辨識(shí)出該加工中心21項(xiàng)誤差分量的各階多 項(xiàng)式系數(shù)。該檢測(cè)方法的特點(diǎn)是檢測(cè)方法簡(jiǎn)便快速，測(cè)量精度高，采用非接觸式測(cè)量使得 測(cè)量靈活，對(duì)測(cè)量時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度約束較小。整個(gè)測(cè)量過程在1-2小時(shí)內(nèi)可以完成，同激 光干涉儀等傳統(tǒng)方法的1-2天相比，效率得到很大提高。同時(shí)，該發(fā)明很好地解決了傳統(tǒng)的 雙球規(guī)等測(cè)量及辨識(shí)方法中由于測(cè)量辨識(shí)矩陣可能不滿秩而導(dǎo)致準(zhǔn)確解難以確定的問題。
圖1為實(shí)施例裝置示意圖。圖2為檢測(cè)對(duì)象——立式三軸數(shù)控裝備示意圖。其中1為主軸箱，2為主軸，3為工作臺(tái)，4為滑臺(tái)。圖3為XOY平面定位誤差、直線度誤差和垂直度誤差的檢測(cè)路徑示意圖。測(cè)頭在 A、B之間沿直線往返測(cè)量5次。圖4為XOY平面圓運(yùn)動(dòng)檢測(cè)路徑示意圖。圖5為XOY平面定位誤差、直線度誤差和垂直度誤差的辨識(shí)方法示意圖。圖6為檢測(cè)裝置安裝示意圖。圖(a)、(b)、(c)中所示分別為XOY平面、XOZ平面 和YOZ平面。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例涉及的基于平面光柵的三軸數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)誤差的分步辨識(shí) 系統(tǒng)，包括平面檢測(cè)光柵(碼盤及讀數(shù)頭)1，IK220數(shù)據(jù)采集卡2，數(shù)據(jù)處理模塊3，Φ 20 的刀柄4，固定裝置5和三軸數(shù)控裝備6，其中平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭1和ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡 2相連傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡2與數(shù)據(jù)處理模塊3相連傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量 數(shù)據(jù)辨識(shí)和顯示，平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭1安裝在刀柄4以便于固定在三軸數(shù)控裝備6，平面 檢測(cè)光柵碼盤1固定在固定裝置5上。所述的平面檢測(cè)光柵(碼盤及讀數(shù)頭)1是HEIDENHAIN公司生產(chǎn)的KGM182圓光柵。本實(shí)施例涉及的上述基于平面光柵的三軸數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)誤差的分步檢測(cè)與辨識(shí) 方法，包括以下步驟第一步，利用平面正交光柵測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量處理，得到三軸數(shù)控裝備三個(gè)相互 垂直的平面(Χ0Υ平面、YOZ平面和XOZ平面)每個(gè)平面內(nèi)的兩個(gè)相互垂直的直線軌跡運(yùn)功 誤差數(shù)據(jù)和繞各個(gè)平面(Χ0Υ平面、YOZ平面和XOZ平面)內(nèi)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；所述的測(cè)量處理，具體包括以下具體步驟一、清理機(jī)床，準(zhǔn)備一個(gè)Φ20的刀柄，并連接好計(jì)算機(jī)的PCMI接口與ΙΚ220卡的 PCI接口，連接測(cè)量系統(tǒng)。二、將平面正交光柵測(cè)量系統(tǒng)(KGM)中的碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的 XOY平面。在機(jī)床上編制沿X、Y方向位移測(cè)量的G代碼，沿X、Y方向的位移檢測(cè)路徑要求 基本相同，如圖3所示。在KGM自由曲線測(cè)試狀態(tài)下，沿X、Y方向各往返測(cè)量5次，進(jìn)給速 度為F = 500mm/min測(cè)量范圍L = 100mm,由起點(diǎn)A點(diǎn)直線插補(bǔ)到B點(diǎn)，返回插補(bǔ)到A點(diǎn)，往 返5次。三、再接著編制三軸數(shù)控裝備在Z = Omm的XOY平面內(nèi)循圓運(yùn)動(dòng)的G代碼。在KGM 圓軌跡測(cè)量狀態(tài)下，以(x，y，z) = (0,0,0)為圓心，圓半徑為50mm，進(jìn)給速度為500mm/min， 由起點(diǎn)0點(diǎn)直線插補(bǔ)到A點(diǎn)，逆時(shí)針圓周插補(bǔ)45°到B點(diǎn)，直線插補(bǔ)回到0點(diǎn)；由起點(diǎn)0點(diǎn) 直線插補(bǔ)到B點(diǎn)，順時(shí)針圓周插補(bǔ)45°到A點(diǎn)，直線插補(bǔ)回到0點(diǎn)，如圖4所示。四、在機(jī)床上操作測(cè)試運(yùn)動(dòng)情況。五、將讀數(shù)頭與IK220卡的數(shù)據(jù)線連接好。將讀數(shù)頭通過刀柄安裝在機(jī)床主軸上，將平面光柵碼盤固定在機(jī)床的工作臺(tái)上，如圖6-a)所示，利用兩個(gè)耳部的安裝螺釘與梯形 螺母旋緊固定。調(diào)試讀數(shù)頭與碼盤之間的相對(duì)位置距離為1mm，保證信號(hào)正常接收。六、運(yùn)行沿X、Y方向直線位移，分別得到XOY平面內(nèi)沿X方向和Y方向的直線軌跡 運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；以及Z = Omm的XOY平面內(nèi)循圓運(yùn)動(dòng)，得到XOY平面內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù) 據(jù)，依次采集并保存檢測(cè)數(shù)據(jù)。則XOY平面內(nèi)測(cè)量操作結(jié)束后，卸下碼盤和讀數(shù)頭。七、采用同樣方法，將KGM碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的XOZ平面內(nèi)。將 讀數(shù)頭與ΙΚ220卡的數(shù)據(jù)線連接好。將讀數(shù)頭通過刀柄安裝在機(jī)床主軸上，將平面光柵碼 盤固定在機(jī)床的工作臺(tái)上，如圖6-b)所示，利用兩個(gè)耳部的安裝螺釘與梯形螺母旋緊固 定。調(diào)試讀數(shù)頭與碼盤之間的相對(duì)位置距離為1mm，保證信號(hào)正常接收。編制三軸數(shù)控裝 備在γ = Omm的XOZ平面內(nèi)沿X、Z方向線位移的G代碼。在KGM自由曲線測(cè)試狀態(tài)下，令 讀數(shù)頭沿X、Z方向各往返測(cè)量5次，進(jìn)給速度為F = 500mm/min測(cè)量范圍L = 100mm。運(yùn) 行沿X、Z方向直線位移運(yùn)動(dòng)，分別測(cè)量XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤 差，采集并保存檢測(cè)數(shù)據(jù)。八、編制三軸數(shù)控裝備在Y = Omm的XOZ平面內(nèi)循圓運(yùn)動(dòng)的G代碼。在KGM圓軌 跡測(cè)量狀態(tài)下，以(x，y，z) = (0,0,0)為圓心，圓半徑為50mm，進(jìn)給速度為500mm/min，由起 點(diǎn)0點(diǎn)直線插補(bǔ)到A點(diǎn)，逆時(shí)針圓周插補(bǔ)45°到B點(diǎn)，直線插補(bǔ)回到0點(diǎn)；由起點(diǎn)0點(diǎn)直線 插補(bǔ)到B點(diǎn)，順時(shí)針圓周插補(bǔ)45°到A點(diǎn)，直線插補(bǔ)回到0點(diǎn)。運(yùn)行Y = Omm的XOZ平面內(nèi) 循圓運(yùn)動(dòng)，測(cè)量XOZ平面內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差，采集并保存檢測(cè)數(shù)據(jù)。則XOZ平面內(nèi)測(cè)量操作 結(jié)束后，卸下碼盤和讀數(shù)頭。九、采用同樣方法，將KGM碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的YOZ平面內(nèi)。將 讀數(shù)頭與IK220卡的數(shù)據(jù)線連接好。將讀數(shù)頭通過刀柄安裝在機(jī)床主軸上，將平面光柵碼 盤固定在機(jī)床的工作臺(tái)上，如圖6-b)所示，利用兩個(gè)耳部的安裝螺釘與梯形螺母旋緊固 定。調(diào)試讀數(shù)頭與碼盤之間的相對(duì)位置距離為1mm，保證信號(hào)正常接收。編制三軸數(shù)控裝備 在X= 120mm的YOZ平面內(nèi)沿Y、Z方向線位移的G代碼。在KGM自由曲線測(cè)試狀態(tài)下，沿 Y、Z方向各往返5次，進(jìn)給速度F = 500mm/min測(cè)量范圍L = 100mm,由起點(diǎn)A點(diǎn)直線插補(bǔ) 到B點(diǎn)，返回插補(bǔ)至IJ A點(diǎn)，往返5次。十、編制三軸數(shù)控裝備在Y = 120mm的YOZ平面內(nèi)循圓運(yùn)動(dòng)的G代碼。在KGM圓 軌跡測(cè)量狀態(tài)下，以(x，y，z) = (120,0,0)為圓心，圓半徑為50mm，進(jìn)給速度為500mm/min， 由起點(diǎn)0點(diǎn)直線插補(bǔ)到A點(diǎn)，逆時(shí)針圓周插補(bǔ)45°到B點(diǎn)，直線插補(bǔ)回到0點(diǎn)；由起點(diǎn)0點(diǎn) 直線插補(bǔ)到B點(diǎn)，順時(shí)針圓周插補(bǔ)45°到A點(diǎn)，直線插補(bǔ)回到0點(diǎn)。i^一、運(yùn)行YOZ平面內(nèi)沿Y、Z方向直線位移以及X = 120mm的YOZ平面內(nèi)循圓運(yùn) 動(dòng)，測(cè)量YOZ平面內(nèi)沿著Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)、沿著Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差 數(shù)據(jù)，YOZ平面內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，采集并保存上述檢測(cè)數(shù)據(jù)。則YOZ平面內(nèi)測(cè)量操作 結(jié)束后，卸下碼盤和讀數(shù)頭。至此完成三軸數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)誤差的在機(jī)檢測(cè)過程，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和保存。第二步，打開數(shù)據(jù)處理模塊中的已存數(shù)據(jù)，通過兩個(gè)相互垂直的直線軌跡運(yùn)功誤 差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，辨識(shí)得到三軸數(shù)控裝備X軸、Y軸和Z軸的直線度誤差、位置誤差和三根 導(dǎo)軌之間的垂直度誤差共12項(xiàng)移動(dòng)性誤差分量。所述12項(xiàng)移動(dòng)性誤差分量具體包括三個(gè)軸的定位誤差3項(xiàng)，即X軸的位置誤差S xX、Y軸的位置誤差δ yY、Z軸的位置誤差δ zZ;三個(gè)軸的直線度誤差6項(xiàng)，即X軸在Y方 向上的直線度誤差S yX、Y軸在X方向上的直線度誤差S xY、X軸在Z方向上的直線度誤差 S zX、Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ、Y軸在Z方向上的直線度誤差δ zY、Z軸在Y方向 上的直線度誤差Syz;三個(gè)軸的垂直度誤差3項(xiàng)，即X軸與Y軸之間的垂直度誤差、,！軸 與Z軸之間的垂直度誤差ε yz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ。所述的兩個(gè)相互垂直的直線軌跡運(yùn)功誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，具體包括讀取XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)S0 (x)和沿著Y方向的直線 軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Stl(y)；根據(jù)最小二乘擬合計(jì)算分別得到X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù) 據(jù)所包含的趨勢(shì)線(直線)Trend(x) =aiX+bi和沿著Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)所包 含的趨勢(shì)線(直線)Trend(y) = a2y+b2，其中Id1和a2，b2為通過最小二乘擬合求出的趨 勢(shì)直線的參數(shù)。計(jì)算￡xy= n/2_a2+ai，可得X軸與Y軸之間的垂直度誤差exy。從X方 向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)所包含的趨勢(shì)線(直線)Trend(X)和沿著Y方向的直線軌跡運(yùn) 動(dòng)誤差數(shù)據(jù)所包含的趨勢(shì)線(直線)Trend(y)中分別去除垂直度誤差^xy所引起的誤差信 號(hào)，可得X軸在Y方向上的直線度誤差SyX = Sl(x) =S(l(X)-alX，Y軸在X方向上的直線度 誤差 δχΥ = S1 (y) = S0 (y) _a2y。令 S1 (χ)和 S1 (y)的平均值分別為 Avg_Sx 和 Avg_Sy,則 Y 軸和X軸的位置誤差分別為S yY = Avg_Sx-Y0和δ xX = Avg_Sy-X。。至此可以根據(jù)XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Stl(X)和沿著Y方 向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)s0(y)識(shí)別計(jì)算出X軸在Y方向上的直線度誤差δ yX，Y軸在X 方向上的直線度誤差Sxy，Y軸軸的位置誤差δ yY和X軸的位置誤差δ χΧ，以及X軸與Y軸 之間的垂直度誤差￡xy共計(jì)5項(xiàng)移動(dòng)性誤差分量。采用同樣的兩個(gè)相互垂直的直線軌跡運(yùn)功誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，對(duì)XOZ平面內(nèi)沿著 X、Z方向上的直線運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，辨識(shí)分離出Z軸的位置誤差δ zZ，X軸在Z方向 上的直線度誤差Szx，Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ，以及X軸與Z軸之間的垂直度誤 差ε χζ ；通過對(duì)YOZ平面內(nèi)沿著Υ、Ζ方向上的直線運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，辨識(shí)分離出Y軸 在Z方向上的直線度誤差δ ζγ，Z軸在Y方向上的直線度誤差Syz，以及X軸與Z軸之間的 垂直度誤差ε yz。第三步，打開數(shù)據(jù)處理模塊中的已存數(shù)據(jù)，通過各個(gè)平面(Χ0Υ平面、YOZ平面和 XOZ平面)內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，辨識(shí)得到三軸數(shù)控裝備X軸、Y軸和Z軸的側(cè) 滾誤差、偏轉(zhuǎn)誤差、俯仰誤差共9項(xiàng)轉(zhuǎn)角性誤差分量。所述9項(xiàng)轉(zhuǎn)角性誤差分量具體包括X軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)εχ(χ)、Χ軸 的俯仰誤差εγ(χ)和X軸的偏擺誤差εζ(χ)共計(jì)3項(xiàng)關(guān)于X軸的轉(zhuǎn)角性誤差分量；Y軸的 滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)￡Y(y)、Y軸的俯仰誤差￡z(y)和Y軸的偏擺誤差￡x(y)共計(jì) 3項(xiàng)關(guān)于Y軸的轉(zhuǎn)角性誤差分量；Z軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)ε ζ (ζ)、Z軸的俯仰誤差 εχ(ζ)、Ζ軸的偏擺誤差εγ(ζ)共計(jì)3項(xiàng)關(guān)于Z軸的轉(zhuǎn)角性誤差分量。上述合計(jì)共9項(xiàng)轉(zhuǎn) 角性誤差分量。所述的各個(gè)平面內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，具體包括一、讀取XOY平面內(nèi)的測(cè)量圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，由于三軸數(shù)控裝備在Z = 0的 XOY平面內(nèi)，以碼盤中心為圓心，半徑R作圓運(yùn)動(dòng)，根據(jù)三軸數(shù)控裝備XOY平面內(nèi)的誤差坐標(biāo) 矢量與測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程El = Q1XP1
其中=P1 — [ayyl，ayy2，ayy3，azyl，azy2，azy3, azxl，azx2，azx3, axyl，axy2，axy3]，而 ayyl, ayy2，
ayy3 為Q1 =
E1 = [ Δ R( θ ) +kxy2y2cos θ +kxy3y3cos θ _kxxlxcos θ +kyx2x2sin θ +kyx3x3sin θ -kyylys in θ +xbxysin θ ]而上述變量中ayyl，ayy2, ayy3為Y軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)￡Y(y)的單 項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模型的擬合系數(shù)(即符合單項(xiàng)誤差三次多項(xiàng)式模型Su(U)= aUuiU+auu2u2+auu3u3) ;azyl，azy2，azy3為Y軸的俯仰誤差ez(y)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模型 的擬合系數(shù)；axyl，axy2, axy3為Y軸的偏擺誤差ε x(y)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模型的擬 合系數(shù)；azxl，azx2, azx3為X軸的偏擺誤差ε z(x)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模型的擬合系 數(shù)。上式中θ、x、y分別為XOY平面內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值、以及測(cè)量平面內(nèi)的x/y 坐標(biāo)值，上式中ΔΙ (Θ)為XOY平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向誤差分量。根據(jù)上式做最小二乘擬合得到P = (Q11 X Q1) 1X Q11 X E1，從而擬合出Y軸的滾轉(zhuǎn)誤 差￡Y(y)、Y軸的俯仰誤差￡z(y)、Y軸的偏擺誤差￡x(y)和X軸的偏擺誤差εζ(χ)等轉(zhuǎn) 角性誤差多項(xiàng)式的1-3各階系數(shù)。二、采用同樣的平面內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)思路和方法，讀取XOZ平面內(nèi)的 測(cè)量圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，對(duì)XOZ平面內(nèi)平面內(nèi)的測(cè)量圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析，根據(jù)三軸數(shù)控裝備在XOZ平面內(nèi)的誤差坐標(biāo)矢量與測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程:ΕΧ0Ζ = Qxoz X Ρχοζ，其中=Pxoz= [ay xl' ayx2' ayx3' ayzl ‘ ayz2'Qxoz = [-x2sin θ -xzcos θ , -x3sin θ -x2zcos θ , -x4sin θ -x3zcos θ , -Lzcos θ , -Lz 2Cos θ , -Lz3COS θ ]
Exoz = [Μ(θ) - Sx(χ) cos θ - ζφζχ cos θ - Sz (ζ) sin θ+ Sz (χ) sin θ]而上述變量中ayxl，ayx2，ayx3為X軸的俯仰誤差εγ(χ)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式 模型的擬合系數(shù)(即符合單項(xiàng)誤差三次多項(xiàng)式模型Su(U) = auulu+auu2u2+auu3u3) ；ayzl，ayz2， ayz3為Z軸的偏擺誤差εγ(ζ)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模型的擬合系數(shù)；上式中θ、χ、 ζ分別為XOZ平面內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值、以及測(cè)量平面內(nèi)的χ/ζ坐標(biāo)值。L為刀 柄的長度(或者為測(cè)量接桿長度)，上式中ΔΙΚΘ)為XOZ平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運(yùn)動(dòng)時(shí) 的徑向誤差分量，δ為前述各項(xiàng)移動(dòng)性誤差分量。根據(jù)上式做最小二乘擬合得到Proz = (QTxoz X Qxoz) 1 X Exq/ X Exoz，從而擬合、分離辨識(shí)出X軸的俯仰誤差ε Y (X)和Z軸的偏擺誤差 ε γ(ζ)等轉(zhuǎn)角性誤差多項(xiàng)式的1-3各階系數(shù)。三、采用同樣的平面內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)思路和方法，讀取YOZ平面內(nèi)的 測(cè)量圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，對(duì)YOZ平面內(nèi)平面內(nèi)的測(cè)量圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析，根據(jù)三軸數(shù)控裝備在YOZ平面內(nèi)的誤差坐標(biāo)矢量與測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程Eyqz = Qyoz X Ργοζ ‘其中=Pyoz= [ax
zl ‘ axz2' axz3' axxl ‘ axx2' axx3' azzl ‘ azz2' azz3」Qyoz = [Lzcos θ，Lz2Cos θ，Lz3Sin θ，zxcos θ +ycsin θ，zx2cos θ +yx2sin θ，zx3cos θ +yz3sin θ , -czcos θ , -cz2cos θ , -cz3cos θ ]
Eyoz =-[(ζ + Obcz )￡x(y) + χε,(χ) + Sy (ζ) + Sy(y) - z￡y(z) - c^Jcos θ
-yex(y) sin θ + c￡y (χ) sin θ-δ, (ζ) sin θ +Sz (χ) sin 0 + d,{y) sin θ]而上述變量中axzl，axz2，axz3為Z軸的俯仰誤差εχ(ζ)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式 模型的擬合系數(shù)(即符合單項(xiàng)誤差三次多項(xiàng)式模型Eu(U) = auulu+auu2u2+auu3u3) ；axxl, axx2, axx3為X軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)εχ(χ)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模型的擬合系 數(shù)；azzl，azz2，azz3為Z軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)εζ(ζ)的單項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差三次多項(xiàng)式模 型的擬合系數(shù)；上式中χ為定值，θ、y、z分別為YOZ平面內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值、以 及測(cè)量平面內(nèi)的y/z坐標(biāo)值。L為刀柄的長度(或 者為測(cè)量接桿長度)；δ為前述各項(xiàng)移 動(dòng)性誤差分量，上式中ΔΙ (Θ)為YOZ平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向誤差分量。根 據(jù)上式做最小二乘擬合得到Ptoz = (QtyozX Qyoz) 1XΕγοζτXEtoz，從而擬合、分離辨識(shí)出Z軸的 俯仰誤差εχ(ζ)、Χ軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)εχ(χ)和Z軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤 差)εζ(ζ)等轉(zhuǎn)角性誤差多項(xiàng)式的1-3各階系數(shù)。至此，所有三軸數(shù)控加工中心的21項(xiàng)幾何運(yùn)動(dòng)誤差全都檢測(cè)完畢。實(shí)施結(jié)果表明，被測(cè)的三軸數(shù)控裝備6的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)都在正常的精度指標(biāo)范圍 內(nèi)，與用其他方法驗(yàn)收的結(jié)論一致，但本發(fā)明中的檢測(cè)方法更加簡(jiǎn)便、快速。整個(gè)測(cè)量過程 在1-2小時(shí)內(nèi)可以完成，與激光干涉儀等傳統(tǒng)方法測(cè)量的1-2天相比，效率得到很大提高。 采用非接觸式測(cè)量對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度約束較小，測(cè)量更加靈活。同時(shí)，該測(cè)量辨識(shí)方法求解結(jié) 果惟一，很好地解決了傳統(tǒng)的雙球規(guī)等測(cè)量及辨識(shí)方法中可能出現(xiàn)的由于測(cè)量辨識(shí)矩陣不 滿秩而導(dǎo)致準(zhǔn)確解難以確定的理論問題。
1權(quán)利要求
一種三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，以工作平臺(tái)水平左右滑動(dòng)的方向?yàn)閥軸、水平垂直y軸的前后方向?yàn)閤軸、以工作臺(tái)臺(tái)面中心為原點(diǎn)，豎直垂直x軸和y軸的方向?yàn)閦軸，根據(jù)右手定則來建立XYZ直角坐標(biāo)系，利用平面正交光柵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)三軸數(shù)控設(shè)備進(jìn)行測(cè)量處理，分別得到三軸數(shù)控裝備XOY平面、YOZ平面和XOZ平面的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sXY(x)和sXY(y)、sYZ(y)和sYZ(z)、sYZ(y)和sXZ(z)，以及繞XOY平面、YOZ平面和繞XOZ平面內(nèi)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)EXOY、EYOZ、EXOZ，其中sXY(x)和sXY(y)分別指XOY平面內(nèi)沿著X方向和Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；sYZ(y)和sYZ(z)分別指YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；sXZ(x)和sXZ(z)分別指XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；EXOY、EYOZ、EXOZ分別指XOY平面、YOZ平面、XOZ平面內(nèi)以一定半徑R作平面圓軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)所得實(shí)際圓軌跡點(diǎn)坐標(biāo)和理論圓軌跡點(diǎn)坐標(biāo)之間的徑向誤差坐標(biāo)矢量數(shù)據(jù)；第二步，通過直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法對(duì)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)EXOY、EYOZ、EXOZ進(jìn)行辨識(shí)，分別得到三軸數(shù)控設(shè)備X軸的位置誤差δxX，Y軸的位置誤差δyY，Z軸的位置誤差δzZ，X軸在Y方向上的直線度誤差δyX，Y軸在X方向上的直線度誤差δxY，X軸在Z方向上的直線度誤差δzX，Z軸在X方向上的直線度誤差δxZ，Y軸在Z方向上的直線度誤差δzY，Z軸在Y方向上的直線度誤差δyZ，X軸與Y軸之間的垂直度誤差εxy，Y軸與Z軸之間的垂直度誤差εyz，和X <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>xX</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>xx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>軸與Z軸之間的垂直度誤差εxz，其中 <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>yY</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>yy</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>y</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>kxxn、kyyn、kzzn分別為X軸、Y軸、 <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>zZ</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>zz</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>z</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>yx</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>yx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>zx</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>zx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>Z軸伸縮的第n階分量的系數(shù)， <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>xy</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>xy</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>y</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>zy</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>zy</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>y</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>kyxn，kzxn為X <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>xz</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>xz</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>z</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>yz</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>yz</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>z</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>導(dǎo)軌在Y軸和Z軸方向上直線度誤差的第n階分量的系數(shù)；kxyn，kzyn為Y導(dǎo)軌在X軸和Z軸方向上直線度誤差的第n階分量的系數(shù)；kxzn，kyzn為Z導(dǎo)軌在X軸和Y軸方向上直線度誤差的第n階分量的系數(shù)，一般n取值為3，即各項(xiàng)誤差各自辨識(shí)前3階誤差分量的系數(shù)，byx為X導(dǎo)軌和Y導(dǎo)軌垂直度誤差分量的系數(shù)；byz為Z導(dǎo)軌和Y導(dǎo)軌垂直度誤差分量的系數(shù)；bxz為X導(dǎo)軌和Z導(dǎo)軌垂直度誤差分量的系數(shù)；第三步，通過圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法對(duì)原點(diǎn)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)EXOY、EYOZ、EXOZ進(jìn)行辨識(shí)，得到X、Y、Z三個(gè)軸的9項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)性轉(zhuǎn)角誤差，具體分為X軸的滾轉(zhuǎn)誤差(亦稱滾角誤差)εX(x)、俯仰誤差εY(x)和偏擺誤差εZ(x)，Y軸的滾轉(zhuǎn)誤差εY(y)、俯仰誤差εZ(y)和偏擺誤差εX(y)，Z軸的滾轉(zhuǎn)誤差εz(z)、俯仰誤差εx(z)和偏擺誤差εY(z)， <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>X</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>xx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>Y</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>yx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>Z</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>zx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>X</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>xy</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>y</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> 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</mrow>分別為X導(dǎo)軌的側(cè)滾誤差、俯仰誤差和偏轉(zhuǎn)誤差的第n階分量的系數(shù)；axyn、ayyn、azyn分別為Y導(dǎo)軌的俯仰誤差、側(cè)滾誤差和偏轉(zhuǎn)誤差的第n階分量的系數(shù)；axzn、ayzn、azzn分別為Z導(dǎo)軌的俯仰誤差、偏轉(zhuǎn)誤差和側(cè)滾誤差的第n階分量的系數(shù)，一般n取值為3，即各項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差各自辨識(shí)前3階誤差分量的系數(shù)，實(shí)現(xiàn)三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)。FDA0000027114990000021.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法，其特征是，所述 的平面正交光柵測(cè)量系統(tǒng)，包括平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭、ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理模塊、 Φ 20的刀柄、固定裝置和三軸數(shù)控裝備，其中平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭和ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡相 連傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理模塊相連傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)辨 識(shí)和顯示，平面檢測(cè)光柵讀數(shù)頭安裝在刀柄以便于固定在三軸數(shù)控裝備，平面檢測(cè)光柵碼 盤固定在固定裝置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法，其特征是，所述 的測(cè)量處理，包括以下步驟1)將平面檢測(cè)光柵碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的XOY平面，在KGM自由曲線 測(cè)試狀態(tài)下，令讀數(shù)頭沿Χ、Υ方向各往返測(cè)量若干次，分別得到XOY平面內(nèi)沿著X方向和Y 方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；在KGM圓軌跡測(cè)量狀態(tài)下，令讀數(shù)頭以XOY平面內(nèi)平面檢測(cè) 光柵碼盤安裝中心坐標(biāo)點(diǎn)為圓心，以R為半徑沿圓軌跡運(yùn)動(dòng)若干次，得到XOY平面內(nèi)圓軌跡 運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，其中，R的取值范圍是30mm 70mm ；2)分別將平面檢測(cè)光柵碼盤設(shè)置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺(tái)的XOZ平面和YOZ平面 內(nèi)，測(cè)量得到XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)、XOZ平面內(nèi)圓軌跡 運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，以及YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)、YOZ平面內(nèi) 圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法，其特征是，所述 的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Sxy(X)和沿著Y方向的直線軌 跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sXY(y)，利用最小二乘擬合方法分別得到X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù) 所包含的直線Trend (χ) = ^db1和沿著Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)所包含的趨勢(shì)直 線Trend(y) = a2y+b2，其中=B1^b1和a2、b2為通過最小二乘擬合求出的趨勢(shì)直線的參數(shù)；X軸與Y軸之間的垂直度誤差ε xy，具體是ε xy = η /2-a2+ai ；X軸在Y方向上的直線度誤差δ yX，具體是δ yX = Sxy(X)-B1X ；Y軸在X方向上的直線度誤差S xY，具體是S xY = sXY(y) -a2y ；Y軸的位置誤差S yY，具體是δ w = Avg-Sx-Yci，其中Avg_SX是Syx的平均值，Yci是待 檢測(cè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)；X軸的位置誤差Sxx，具體是δ X5i = Avg-Sy-Xci，其中Avg_Sy是δ χΥ的平均值，Xci是待 檢測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)；2)提取XOZ平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Sxz(X)和沿著Z方向的直線 軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sxz(z)，得到Z軸的位置誤差δ ζΖ、X軸在Z方向上的直線度誤差δζΧ、Ζ 軸在X方向上的直線度誤差Sxz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ ；提取YOZ平面內(nèi)沿著Y方向的直線軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)sYZ (Y)和沿著Z方向的直線軌跡 運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)Syz(Z)，得到Y(jié)軸在Z方向上的直線度誤差δ zY、Z軸在Y方向上的直線度誤 差Syz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差eyz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法，其特征是，所述 的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)辨識(shí)方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)的圓軌跡運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控裝備XOY平面內(nèi)作圓運(yùn) 動(dòng)的徑向誤差坐標(biāo)矢量Exot與各誤差分量Pxot的對(duì)應(yīng)關(guān)系(即對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程)Exot = ΟχογΧΡχογ，其中
全文摘要
一種機(jī)械檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的三軸數(shù)控裝備的幾何運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)方法，利用平面光柵既可以測(cè)量三軸數(shù)控裝備的直線運(yùn)動(dòng)誤差，又可以測(cè)量圓運(yùn)動(dòng)誤差的特點(diǎn)，首先分離出X導(dǎo)軌、Y導(dǎo)軌和Z導(dǎo)軌的直線度誤差、位置誤差和三根導(dǎo)軌之間的垂直度誤差共12項(xiàng)誤差分量，然后再分離三根導(dǎo)軌的9項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差分量。
文檔編號(hào)B23Q17/00GK101982726SQ20101029217
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者張淑潔, 杜月陽, 杜正春, 楊帆, 郭揚(yáng) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)