本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床測(cè)量技術(shù)研究領(lǐng)域，更具體地，涉及一種提高長(zhǎng)軸數(shù)控車床加工精度的誤差測(cè)量與辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

目前針對(duì)機(jī)床直線度和平行度的測(cè)量和補(bǔ)償?shù)姆椒?，在測(cè)量方面，多采用傳感器和激光測(cè)量的方法。2004年，Choi，J.P.采用接觸式探針在線測(cè)量三軸加工中心的定位誤差并預(yù)測(cè)，并用光階規(guī)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)定位誤差的補(bǔ)償。2005年，Lee，J.H.等采用電容傳感器測(cè)量辨識(shí)出了小型三軸機(jī)床的18項(xiàng)幾何誤差，但在精度和使用范圍方面存在局限性。2013年，Han，Z.Y.等綜述介紹了機(jī)床定位誤差、直線度誤差、角度誤差等幾何誤差的測(cè)量方法，精度較高的測(cè)量常采用激光，但對(duì)使用條件要求較高。2015年，Cui，C等分析了用激光干涉儀測(cè)量機(jī)床直線度誤差的系統(tǒng)誤差，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了補(bǔ)償這些系統(tǒng)誤差的效果，提高了直線度誤差的測(cè)量精度。

在幾何誤差補(bǔ)償與提高方面，多采用齊次坐標(biāo)變換和實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?007年，Hsu，Y.Y.andS.S.Wang采用齊次坐標(biāo)變換建立機(jī)床幾何誤差模型，并用CAM后處理模塊調(diào)整刀具軌跡補(bǔ)償了零件的加工誤差。2012年，王維、楊建國(guó)等提出了一種數(shù)控機(jī)床幾何誤差與熱誤差復(fù)合建模方法，并用研發(fā)的誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償，提高了機(jī)床的加工精度。2016年，F(xiàn)u，G.等采用零件重新建模的方式補(bǔ)償幾何誤差，采用加工試件進(jìn)行驗(yàn)證，取得了較好效果。

傳統(tǒng)測(cè)量導(dǎo)軌主要是測(cè)量幾何誤差，并未考慮中心架以及尾座對(duì)誤差的影響。在對(duì)導(dǎo)軌直線度和工件軸的軸徑誤差測(cè)量中，往往也只是通過(guò)位移傳感器等進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，并未進(jìn)行誤差的辨識(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明旨在提出一種提高長(zhǎng)軸數(shù)控車床加工精度的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了基于幾何誤差補(bǔ)償和測(cè)距調(diào)整提高車床加工精度的方法，包括如下步驟：

(1)激光干涉儀測(cè)量幾何誤差項(xiàng)：

將激光干涉儀的分光鏡固定在車床的工作臺(tái)上，并隨著工作臺(tái)移動(dòng)；將激光干涉儀的反射鏡固定在車床的尾座上；將激光干涉儀的激光頭安裝在車床床頭，激光頭發(fā)射的激光通過(guò)分光鏡的干涉及反射鏡的反射將誤差放大為光程差，以此來(lái)測(cè)量工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中車床的幾何誤差，包括導(dǎo)軌在X軸的定位誤差、導(dǎo)軌在Z軸的水平直線度誤差；

(2)激光位移傳感器測(cè)量距離量：

先將工件軸裝夾在車床上，然后將激光位移傳感器固定在刀具處，與刀架固連，通過(guò)刀架的移動(dòng)帶動(dòng)激光位移傳感器的移動(dòng)，激光位移傳感器的光束照射在工件軸上，得到刀具移動(dòng)過(guò)程中與工件軸的距離數(shù)據(jù)；

(3)計(jì)算辨識(shí)出刀具相對(duì)于工件軸的平行度誤差：

記錄位移傳感器示數(shù)、位移傳感器對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軸徑，以及各測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)，并依據(jù)步驟(1)得到的Z軸水平直線度誤差數(shù)據(jù)，分別消除綜合誤差中的軸徑誤差和直線度誤差，得到刀具相對(duì)于工件的平行度誤差；

(4)補(bǔ)償和調(diào)整車床誤差：

通過(guò)數(shù)控車床的補(bǔ)償模塊對(duì)步驟(1)測(cè)得的幾何誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并利用步驟(3)獲取的平行度誤差，對(duì)車床的中心架和尾座的誤差進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)一步地，步驟(1)中，激光干涉儀還包括分光鏡和反射鏡，分光鏡采用線性干涉鏡，反射鏡與分光鏡安裝在同一光路上；其中，激光光路按照如下方法設(shè)置：通過(guò)激光頭發(fā)射單一頻率光束射入分光鏡，然后分成兩道透射光束，其中一道透射光束作為參考光束，另一道透射光束作為測(cè)量光束，兩道透射光束通過(guò)反射鏡反射之后回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光頭。

進(jìn)一步地，步驟(1)中，激光干涉儀包括探測(cè)器，用于監(jiān)控兩道透射光束之間的干涉；在激光干涉儀隨工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中，若光程差沒(méi)有變化，探測(cè)器會(huì)在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間得到穩(wěn)定的信號(hào)；若光程差有變化，探測(cè)器會(huì)在每一次光程變化時(shí)，在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極之間得到變化信號(hào)，變化信號(hào)用于測(cè)量變化前后的兩個(gè)光程之間的差異。

進(jìn)一步地，刀具加工工件軸的軸徑誤差E_tp表達(dá)為：

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx (3)

其中，E_ztx表示刀架在Z軸運(yùn)動(dòng)的X向直線度誤差引起的軸徑誤差；

E_xtx表示刀架在X軸運(yùn)動(dòng)的定位誤差引起的軸徑誤差；

E_cx表示中心架在沿X向的偏移誤差引起的軸徑誤差；

E_wx表示尾座沿X向偏移誤差引起的軸徑誤差。

5、根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的基于幾何誤差補(bǔ)償和測(cè)距調(diào)整提高長(zhǎng)軸數(shù)控車床加工精度的方法，其特征在于，刀具相對(duì)于工件的綜合誤差E_lsz表達(dá)為：

E_lsz＝E_pz+E_lztx+E_lcx+E_lwx (4)

其中，E_lsz為激光位移傳感器測(cè)量的綜合誤差，

E_lsz＝d_lsz-d_ls0，d_lsz為激光位移傳感器在任一測(cè)量點(diǎn)的讀數(shù)，d_ls0為激光位移傳感器在工件軸上測(cè)量起始點(diǎn)的讀數(shù)；

E_pz為加工前工件軸的軸徑徑誤差引起的傳感器測(cè)量誤差；

E_lztx為Z軸的直線度誤差引起的激光位移傳感器測(cè)量誤差，由激光干涉儀測(cè)得；

E_lcx、E_lwx分別為中心架和尾座偏移誤差引起的激光位移傳感器測(cè)量誤差；

需要辨識(shí)出的刀具相對(duì)于工件的平行度誤差E_pa為：

E_pa＝E_lsz-E_pz-E_lztx

將上式代入表達(dá)式(4)，即得到

E_pa＝E_lcx+E_lwx (5)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明將激光位移傳感器和激光干涉儀測(cè)得的各項(xiàng)誤差結(jié)合，來(lái)計(jì)算刀具相對(duì)工件軸的平行度誤差，并據(jù)此進(jìn)行誤差補(bǔ)償和調(diào)整，從而提高精度，具有精度高，加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，可用于提高長(zhǎng)軸數(shù)控機(jī)床加工精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于幾何誤差補(bǔ)償和測(cè)距調(diào)整提高機(jī)床加工精度的方法的具體實(shí)施流程圖；

圖2是激光位移傳感器測(cè)量的綜合誤差示意圖；

圖3是消除Z軸直線度誤差與工件軸徑誤差的激光位移傳感器結(jié)果變化曲線圖

圖4是補(bǔ)償前后激光位移傳感器測(cè)量綜合誤差效果驗(yàn)證曲線圖；

圖5是平行度誤差與軸徑加工誤差對(duì)比曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

下面所描述的即為本發(fā)明基于幾何誤差補(bǔ)償和測(cè)距調(diào)整提高機(jī)床加工精度的方法的一種具體實(shí)施方式，該方法具體包括：

(1)激光干涉儀測(cè)量幾何誤差項(xiàng)：

將激光干涉儀的分光鏡固定在車床的工作臺(tái)上，并隨著工作臺(tái)移動(dòng)。將激光干涉儀的反射鏡固定在車床的尾座上。將激光干涉儀的激光頭安裝在車床床頭，激光頭發(fā)射的激光通過(guò)分光鏡的干涉及反射鏡的反射將誤差放大為光程差，以此來(lái)測(cè)量工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中車床的幾何誤差，包括導(dǎo)軌在X軸的定位誤差、導(dǎo)軌在Z軸的水平直線度誤差。

(2)激光位移傳感器測(cè)量距離量：

先將工件軸裝夾在車床上，然后將激光位移傳感器固定在刀具處，與刀架固連，通過(guò)刀架的移動(dòng)帶動(dòng)激光位移傳感器的移動(dòng)，激光位移傳感器的光束照射在工件軸上，得到刀具移動(dòng)過(guò)程中與工件軸的距離數(shù)據(jù)。

激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。

(3)計(jì)算辨識(shí)出刀具相對(duì)于工件軸的平行度誤差：

記錄位移傳感器示數(shù)、位移傳感器對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軸徑，以及各測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)，并依據(jù)步驟(1)得到的Z軸水平直線度誤差數(shù)據(jù)，分別消除綜合誤差中的軸徑誤差和直線度誤差，得到刀具相對(duì)于工件的平行度誤差。

(4)補(bǔ)償和調(diào)整車床誤差：

通過(guò)數(shù)控車床的補(bǔ)償模塊對(duì)步驟(1)測(cè)得的幾何誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并利用步驟(3)獲取的平行度誤差，對(duì)車床的中心架和尾座的誤差進(jìn)行調(diào)整。

總得來(lái)說(shuō)，該方法主要包括以下兩方面的內(nèi)容：

(1)幾何精度測(cè)量：

首先，通過(guò)激光干涉儀多次測(cè)量導(dǎo)軌的定位誤差和直線度誤差，來(lái)得到機(jī)床導(dǎo)軌的定位誤差和直線度誤差，并以此作為導(dǎo)軌的幾何誤差補(bǔ)償基準(zhǔn)；然后，采用激光位移傳感器測(cè)量工件加工過(guò)程中的綜合誤差，將激光位移傳感器用制作的夾具安裝在刀架上，激光點(diǎn)與工件軸處于同一水平面上，隨著Z軸刀架移動(dòng)，讀取激光位移傳感器在不同位置的示數(shù)值。此示數(shù)值的誤差包含導(dǎo)軌的直線度誤差，刀具的定位誤差，工件軸徑的誤差，工件裝夾時(shí)中心架和尾座偏移誤差，然后將各個(gè)誤差分離出來(lái)，并通過(guò)補(bǔ)償和調(diào)整來(lái)減小加工過(guò)程產(chǎn)生的誤差，以此達(dá)到提高加工精度的目的。

(2)誤差模型的建立：

首先建立刀具加工工件軸時(shí)，軸徑誤差影響因素的誤差傳遞模型，分析出影響加工誤差的主要因素；其次根據(jù)影響加工誤差的主要因素，辨識(shí)出其中兩項(xiàng)誤差。由激光位移傳感器測(cè)量到的示數(shù)誤差為車床的綜合誤差，激光位移傳感器測(cè)量的綜合誤差模型示意圖如圖2所示，此綜合誤差主要包含工件軸徑誤差、Z軸導(dǎo)軌直線度誤差、中心架偏移誤差和尾座偏移誤差，這些誤差僅考慮水平X方向的誤差，其它方向的誤差可忽略。首先，消除軸徑誤差，即消除因工件軸徑不同引起的測(cè)量誤差，然后消除直線度誤差。得到誤差曲線，并依據(jù)此誤差曲線結(jié)果計(jì)算出中心架和尾座引起的誤差，通過(guò)補(bǔ)償程序補(bǔ)償主要的兩項(xiàng)幾何誤差及對(duì)中心架和尾座調(diào)整另兩項(xiàng)主要誤差，以提高車床的加工精度。

(I)刀具加工工件軸的軸徑誤差

采用誤差疊加原理，各誤差作用可以線性疊加，控制單個(gè)因素作為變量分析。則刀具加工工件軸的軸徑(均指半徑)誤差可表達(dá)為：

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx+E_ry (1)

其中，E_ztx表示刀架在Z軸運(yùn)動(dòng)的X向直線度誤差引起的軸徑誤差，

E_xtx表示刀架在X軸運(yùn)動(dòng)的定位誤差引起的軸徑誤差，

E_cx表示中心架在沿X向的偏移誤差引起的軸徑誤差，

E_wx表示尾座沿X向偏移誤差引起的軸徑誤差，

E_ry表示刀具相對(duì)工件軸沿Y向的綜合偏移誤差引起的軸徑誤差。

針對(duì)加工的長(zhǎng)軸工件而言，根據(jù)幾何關(guān)系有

其中，R₀為加工的長(zhǎng)軸工件的期望軸徑大小

Δy_t為刀具相對(duì)工件軸沿Y向的綜合偏移誤差，sinθ＝Δy_t/R₀。

根據(jù)此長(zhǎng)軸車床長(zhǎng)期加工數(shù)據(jù)，可估計(jì)Δy_t≤2mm，R₀≈500mm，則計(jì)算得到E_ry最大值約為0.004mm(4μm)，相比實(shí)際加工誤差0.2mm/m而言，可忽略。公式(1)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx (3)。

公式(3)中前兩項(xiàng)誤差可通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量與補(bǔ)償來(lái)減小，后兩項(xiàng)誤差需要進(jìn)一步測(cè)量與辨識(shí)。

以上公式僅考慮主要的幾何誤差影響，忽略了切削力誤差、機(jī)床振動(dòng)和熱變形誤差等因素的影響，忽略的這幾種誤差可以按照本領(lǐng)域的常規(guī)方法進(jìn)行控制。

(II)中心架和尾座偏移誤差

根據(jù)幾何誤差傳遞關(guān)系，加工前采用激光位移傳感器測(cè)量的距離量表達(dá)了刀具相對(duì)于工件的綜合誤差，誤差模型示意圖可如圖2。加工光軸時(shí)不需要進(jìn)刀則定位誤差引起的綜合誤差為0，則此綜合誤差可表達(dá)為，

E_lsz＝E_pz+E_lztx+E_lcx+E_lwx (4)

其中，E_lsz為激光位移傳感器測(cè)量的綜合誤差，E_lsz＝d_lsz-d_ls0，d_lsz為激光位移傳感器在任一測(cè)量點(diǎn)的讀數(shù)，d_ls0為激光位移傳感器在工件軸上測(cè)量起始點(diǎn)的讀數(shù)。

E_pz為加工前工件軸徑誤差引起的傳感器測(cè)量誤差

E_pz＝-(φ_z-φ₀)/2，

φ₀為工件軸起始測(cè)量點(diǎn)處的直徑；

φ_z為工件軸在Z坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)處的直徑

φ_z、φ₀可由徑向千分尺測(cè)得；

E_lztx為Z軸的直線度誤差引起的傳感器測(cè)量誤差，E_lztx＝-δ_ztx，由激光干涉儀測(cè)得

E_lcx、E_lwx分別為中心架和尾座偏移誤差引起的傳感器測(cè)量誤差；

需要辨識(shí)出的刀具相對(duì)于工件的平行度誤差E_pa，即消除Z軸直線度誤差和工件軸徑誤差影響的激光位移傳感器示數(shù)變化，其計(jì)算公式為：

E_pa＝E_lsz-E_pz-E_lztx

代入表達(dá)式(4)，即得到E_pa＝E_lcx+E_lwx (5)。

作為一個(gè)實(shí)例，辨識(shí)出來(lái)的平行度誤差曲線如圖3所示，根據(jù)式(5)可知此曲線的表達(dá)的平行度誤差僅與中心架和尾座偏移誤差有關(guān)，可進(jìn)一步辨識(shí)出中心架和尾座誤差大小。

圖3曲線設(shè)為f_z，得到曲線f_z的斜率：

z₀，z_l為初始點(diǎn)和最后一點(diǎn)的橫坐標(biāo)，

f_z(z₀)，f_z(z_l)為z₀和z_l的縱坐標(biāo)。

f_z(z₀)-f_z(z_l)為尾座的偏移誤差，斜率k即為尾座偏移誤差的錐度，可視k的大小對(duì)尾座進(jìn)行調(diào)整，

F＝f_z(z)-kz為消除尾座誤差影響后的誤差，此曲線F縱坐標(biāo)絕對(duì)值最大值Max(F)即為中心架的偏移誤差。針對(duì)中心架引起的誤差Max(F)對(duì)中心架進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)一步提高工件加工精度。

補(bǔ)償公式(3)中前兩項(xiàng)幾何誤差后，測(cè)量得到的激光位移傳感器的綜合誤差變化曲線如圖4所示，說(shuō)明補(bǔ)償這兩項(xiàng)幾何誤差后車床的精度有了初步的改善。

根據(jù)公式(5)可知，刀具相對(duì)于工件的平行度誤差僅與另外兩項(xiàng)誤差即中心架和尾座偏移誤差有關(guān)，調(diào)整這兩項(xiàng)誤差后，即調(diào)整了此時(shí)刀具相對(duì)于工件的平行度誤差。針對(duì)此平行度誤差，在14米長(zhǎng)軸一段進(jìn)行一段試切加工，得到的平行度與零件加工誤差結(jié)果曲線對(duì)比如圖5，忽略局部加工振蕩影響，結(jié)果表明加工誤差基本復(fù)現(xiàn)了平行度趨勢(shì)，平行度誤差與零件加工誤差直接相關(guān)，由此間接證明了通過(guò)提高平行度來(lái)提高加工精度的可行性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。