專利名稱：三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種誤差補償系統(tǒng)及方法，尤其是關(guān)于一種三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
三坐標測量機(Coordinate Measurement Machine)，是目前使用最廣泛的大型通用檢測儀器，主要有龍門式、立柱式、機器臂式等幾種。三坐標測量機用于零件和部件的尺寸誤差和形位誤差的測量，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。
三坐標測量機的測量精度較普通量具測量準確，但其必定存在測量誤差。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對測量精度的要求也越來越高。因此，為了使三坐標測量機的測量結(jié)果最大限度地滿足機械設(shè)計、制造、檢驗的需要，必須分析三坐標測量機測量誤差產(chǎn)生的原因。通常，三坐標測量機的測量誤差主要分為五個方面，即測量方法誤差、測量環(huán)境誤差、測量人員誤差、被測工件本身誤差及三坐標測量機設(shè)備誤差。其中，測量方法誤差是因為測量者所選用的檢測原則不正確，選用的方法不完善、不嚴密、不確切的緣故。測量環(huán)境誤差和測量人員誤差很容易得到解決。因三坐標測量機測量工件時均是測量工件上若干點，然后對測量的數(shù)據(jù)進行分析計算得出測量結(jié)果，被測工件本身的表面粗糙度和形狀精度對測量誤差造成了影響，因此，對被測工件，特別是對高精度的工件，必須要使工件的表面粗糙度與尺寸精度、形狀精度、位置精度相匹配。由于光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)的誤差和三坐標測量機床的機構(gòu)加工裝配誤差(如導軌系統(tǒng)的不完善)，嚴重影響量測精度，傳統(tǒng)的做法是通過調(diào)整機構(gòu)部分來補償誤差。此方法費時，且效果不明顯。
因此，需要一種系統(tǒng)可以在三坐標測量機量測零件或部件的尺寸誤差及形位誤差時對誤差進行良好的補償，提高測量的準確度及縮短測量時間。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明較佳實施例提供一種三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一輸入/輸出模塊，用于數(shù)據(jù)采集和輸出誤差補償結(jié)果；一計算模塊，用于誤差補償計算和返回前坐標值的計算；一數(shù)據(jù)安全模塊，用于對測量和計算過程中的文件進行加密和解密，以確保文件的安全性；及一數(shù)據(jù)存儲模塊，用于測量計算過程中所產(chǎn)生的各種結(jié)果文件的暫存，其包括各項參數(shù)及補償文件的存儲。
本發(fā)明較佳實施例還提供一種三坐標測量機床誤差補償方法，該方法包括如下步驟(a)建立系統(tǒng)數(shù)學模型；(b)采用校正標準設(shè)備檢測并獲取機床誤差，所述誤差包括三坐標測量機床的機構(gòu)加工裝配誤差和光柵尺讀數(shù)的原始誤差；(c)對上述所測得誤差的坐標值進行誤差補償；(d)采用量測軟件測試標準件得到量測實際數(shù)值；(e)將上述量測實際數(shù)值輸入到輸入/輸出模塊；(f)計算量測數(shù)值的偏差和補償系數(shù)；(g)驗證量測數(shù)值的偏差精度是否合格；(g1)若上述偏差小于精度規(guī)格，則認為該驗證精度合格；(g2)若上述偏差大于精度規(guī)格，則重復檢測機床誤差并補償。
相較現(xiàn)有技術(shù)，所述三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)及方法，利用校正設(shè)備，如鐳射干涉儀，測得機構(gòu)和光柵尺讀數(shù)的原始誤差，并通過補償函數(shù)能精確補償三坐標測量機床線性和非線性變化的定位誤差、直線角運動誤差、角運動誤差及垂直誤差。其補償范圍廣，速度高，且降低了機構(gòu)的加工成本，提高了機臺量測精度。

圖1是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)較佳實施例的硬件架構(gòu)圖。
是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)客戶端計算機的功能模塊圖。
圖3是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償方法較佳實施例的作業(yè)流程圖。
圖4是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償方法較佳實施例的機床誤差補償作業(yè)流程圖。
圖5是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償方法較佳實施例的返回補償前坐標值作業(yè)流程圖。
具體實施方式如圖1所示，是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)較佳實施例的硬件架構(gòu)圖。該三坐標量測機床誤差補償系統(tǒng)4包括一三坐標測量機床1、一校正標準設(shè)備2及至少一客戶端計算機3。三坐標測量機床1包括一導軌系統(tǒng)10，其是導致三坐標測量機床產(chǎn)生機構(gòu)加工裝配誤差的主要原因。校正標準設(shè)備2，如鐳射干涉儀等，用于檢測三坐標測量機床1的位置度誤差、直線度誤差和角擺誤差?？蛻舳擞嬎銠C3提供一操作界面，用于三坐標測量機床誤差補償，其包括一量測軟件30的操作運行，該量測軟件30用于測量標準件(如塊規(guī)等)得到量測實際數(shù)值。
如圖2所示，是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)客戶端計算機的功能模塊圖。該客戶端計算機3包括一輸入/輸出模塊40、一計算模塊42、一數(shù)據(jù)安全模塊44及一數(shù)據(jù)存儲模塊46。輸入/輸出模塊40，用于數(shù)據(jù)采集和輸出誤差補償結(jié)果，其中，數(shù)據(jù)采集包括原始誤差采集和線性系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)采集，所述原始誤差指直接用鐳射干涉儀等校正標準設(shè)備2測得三坐標測量機床1的位置度誤差、直線度誤差和角擺誤差，所述線性系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)指量測軟件30通過測試三坐標測量機床1上的標準件(如塊規(guī)等)得到的結(jié)果。計算模塊42，用于誤差補償計算和坐標值返回計算。誤差補償計算包括單項誤差計算、垂直度誤差計算和總誤差計算。其中，各軸的單項誤差采用線性插補的方法計算，所述單項誤差指三坐標測量機床1的X、Y、Z垂直度誤差、位置度誤差、移動產(chǎn)生的直線誤差、自轉(zhuǎn)誤差、偏擺誤差及俯仰誤差等；垂直度誤差計算采用直線攤合函數(shù)，使用最小二乘法計算；總誤差計算指把單項誤差和垂直度誤差按照其相互影響關(guān)系計算出來，例如，設(shè)X、Y和Z為坐標值，Dxx為X軸的位置度，Dxy和Dxz為X軸移動產(chǎn)生的直線誤差，Rxx為X軸自轉(zhuǎn)誤差，Rxy為X軸的偏擺誤差，Rxz為X軸的俯仰誤差，Sxy和Szx為垂直度誤差，則X軸總誤差
ΔX＝Dyx-Dxx+DZX-Y*Sxy-Z*Szx+Rxz+Z*(Ryy-Rxy)；坐標值返回計算采用多次逼近的方法。數(shù)據(jù)安全模塊44，通過二進制數(shù)據(jù)流加密補償文件，用于確保文件的安全性。該數(shù)據(jù)安全模塊44用于對測量和計算過程中產(chǎn)生的文件進行加密和解密，該數(shù)據(jù)安全模塊44包括三項內(nèi)容，即加密參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)加密及數(shù)據(jù)解密。其中，加密參數(shù)設(shè)定主要是密鑰和初始化向量、加密方法和加密算法等的設(shè)定。三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)4中的加密算法采用對稱演算法，該對稱演算法在加密及解密資料時使用相同的密鑰和初始化向量。數(shù)據(jù)加密和解密指首先把文件轉(zhuǎn)成文件流，然后轉(zhuǎn)換為加密流，最后轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)存儲模塊46，用于測量計算過程中所產(chǎn)生的各種結(jié)果文件的暫存，其包括各種參數(shù)及補償文件的存儲。
如圖3所示，是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償方法較佳實施例的作業(yè)流程圖。首先，通過數(shù)學方法建立系統(tǒng)數(shù)學模型(步驟S200)。并用鐳射干涉儀等校正標準設(shè)備2檢測三坐標測量機床1的位置度誤差、直線度誤差和角擺誤差(步驟S202)。對上述誤差的坐標值進行誤差補償(步驟S204)。通過量測軟件30在三坐標測量機床1上測試標準件得到量測實際數(shù)值，上述測試標準件指塊規(guī)等(步驟S206)。將上述量測實際數(shù)值輸入到輸入/輸出模塊40(步驟S208)。計算模塊42計算量測數(shù)值偏差和補償系數(shù)，該量測數(shù)值偏差指量測實際數(shù)值與標準件的真實值之差，所述補償系數(shù)包含線性變化的光學尺位置誤差和兩軸間的垂直誤差系數(shù)，例如，XY、YZ、ZX之間的垂直度(步驟S210)。驗證精度是否合格，即比較量測數(shù)值偏差與設(shè)備廠商提供的機床精度規(guī)格，若量測數(shù)值偏差小于該精度規(guī)格，則認為驗證精度合格；若量測數(shù)值偏差大于上述精度規(guī)格，則返回步驟S202，重新對機床誤差進行檢測和補償，直到驗證精度合格(步驟S212)。精度驗證合格后，加密并存儲上述驗證結(jié)果文件(步驟S214)。
如圖4所示，是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償方法較佳實施例的機床誤差補償作業(yè)流程圖。讀取步驟S202所檢測出的機床誤差數(shù)值(步驟S20400)。將上述誤差數(shù)值的坐標值輸入到輸入/輸出模塊40(步驟S20402)。計算坐標值所在區(qū)間(步驟S20404)。使用線性插補的方法計算單項誤差，上述線性插補是指按一定比例得到兩個節(jié)點之間的數(shù)值，例如，間隔為30，在30處偏差是0.03，在60處的偏差是0.05，則在40處的偏差W＝(0.05-0.03)/30*(40-30)+0.03(步驟S20406)。計算各軸坐標值的總誤差E(步驟S20408)。各坐標值加上E得到N(步驟S20410)。然后N乘以各軸線性系數(shù)，得到補償后的坐標值(步驟S20412)。
如圖5所示，是本發(fā)明三坐標測量機床誤差補償方法較佳實施例的返回補償前坐標值作業(yè)流程圖。返回補償前坐標值本身對三坐標測量機床的誤差補償沒有直接意義，其主要用于三坐標測量機床的運行。返回補償前坐標值采用多次逼近的方法得到原始坐標值，上述原始坐標值指沒有補償過的坐標值。例如，原始值為100，補償后的值為100.1，第一次執(zhí)行完返回補償前坐標值后得到100.05，則需要第二次返回補償，直到得到原始值100。首先，讀取上述補償過后的坐標值(步驟S300)。將其輸入到輸入/輸出模塊40(步驟S302)。計算該坐標值所在區(qū)間(步驟S304)。使用線性插補的方法計算單項誤差(步驟S306)。計算各軸坐標值的總誤差E(步驟S308)。用各坐標值除以線性系數(shù)得到N(步驟S310)。N減去總誤差E得到返回補償前的坐標值(步驟S312)。
在步驟S20406和步驟S306中，單項誤差指三坐標測量機床X、Y、Z三軸的各項誤差，其包括位置誤差、直線度誤差和角擺誤差。上述位置誤差包括三坐標測量機床所使用的光柵尺的讀數(shù)系統(tǒng)誤差和阿貝誤差，所述阿貝誤差指測量線和光柵尺不在同一直線上所產(chǎn)生的誤差。上述直線度誤差指沿一個軸方向移動時，會在其它兩個方向產(chǎn)生直線度誤差，例如，當沿X軸移動時，會產(chǎn)生Y和Z方向的直線度誤差。上述角擺誤差指每個軸運動時，繞三根軸自轉(zhuǎn)、俯仰和偏擺所產(chǎn)生的誤差。
權(quán)利要求
1.一種三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一輸入/輸出模塊，用于數(shù)據(jù)采集和輸出誤差補償結(jié)果；一計算模塊，用于誤差補償計算和返回前坐標值的計算；及一數(shù)據(jù)存儲模塊，用于計算過程中所產(chǎn)生的各種結(jié)果的暫存，其包括各項參數(shù)及補償文件的存儲。
2.如權(quán)利要求1所述的三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，其特征在于，還包括一數(shù)據(jù)安全模塊，用于對測量和計算過程中的結(jié)果和文件進行加密和解密，確保文件的安全性。
3.如權(quán)利要求2所述的三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，其特征在于，其中所述的數(shù)據(jù)安全模塊采用二進制數(shù)據(jù)流加密補償文件，確保文件的安全性，其包括加密參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)解密。
4.如權(quán)利要求1所述的三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，其特征在于，其中所述的輸入/輸出模塊采集的數(shù)據(jù)包括原始誤差和線性系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述的三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，其特征在于，其中所述計算模塊進行的誤差補償計算包括單項誤差計算、總誤差計算和垂直度誤差計算。
6.一種三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，該方法包括如下步驟建立系統(tǒng)數(shù)學模型；采用校正標準設(shè)備檢測并獲取機床誤差；對上述所測得誤差的坐標值進行誤差補償；量測實際數(shù)值；計算量測數(shù)值的偏差和補償系數(shù)；驗證上述計算出的偏差精度是否合格；若上述計算出的偏差小于精度規(guī)格，則認為該驗證精度合格；若上述計算出的偏差大于精度規(guī)格，則重復檢測機床誤差并補償。
7.如權(quán)利要求6所述的三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，所述機床誤差包括三坐標測量機床的位置度誤差、直線度誤差和角擺誤差。
8.如權(quán)利要求6所述的三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，所述量測實際數(shù)值指由量測軟件測試得到標準件的結(jié)果。
9.如權(quán)利要求6所述的三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，所述偏差指量測實際數(shù)值與標準件的真實值之差。
10.如權(quán)利要求6所述的三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，其中的誤差補償步驟包括讀取校正標準設(shè)備所檢測出的三坐標測量機床的位置度誤差、直線度誤差和角擺誤差；計算上述誤差坐標值所在的區(qū)間；計算單項誤差，該單項誤差指三坐標測量機床三軸的各項誤差，其包括位置誤差、直線度誤差及角擺誤差；計算各軸坐標值的總誤差；將各坐標值加上上述總誤差并乘以線性系數(shù)，得到補償后的坐標值。
11.如權(quán)利要求6所述的三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，還包括一步驟返回補償前坐標值。
12.如權(quán)利要求11所述的三坐標測量機床誤差補償方法，其特征在于，其中返回補償前坐標值的步驟包括讀取上述補償后的坐標值；計算上述坐標值所在的區(qū)間；計算單項誤差，該單項誤差指三坐標測量機床三軸的各項誤差，其包括位置誤差、直線度誤差及角擺誤差；計算各軸坐標值的總誤差；將各坐標值除以線性系數(shù)并減去上述總誤差，返回補償前坐標。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一輸入/輸出模塊、一計算模塊、一數(shù)據(jù)安全模塊、一數(shù)據(jù)存儲模塊。輸入/輸出模塊用于數(shù)據(jù)采集和誤差補償結(jié)果輸出；計算模塊用于誤差補償計算和返回前坐標值的計算；數(shù)據(jù)安全模塊用于測量和計算過程中的文件進行加密和解密，以確保文件的安全性。數(shù)據(jù)存儲模塊用于測量計算過程中所產(chǎn)生的各種結(jié)果文件的暫存，其包括各項參數(shù)及補償文件的存儲。本發(fā)明還提供一種三坐標測量機床誤差補償方法。本發(fā)明的三坐標測量機床誤差補償系統(tǒng)及方法，能快速大范圍的補償三坐標測量機床誤差，且降低了機構(gòu)的加工成本，提高了機臺量測精度。
文檔編號G01B21/04GK1892175SQ20051003593
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者張旨光, 陽華偉 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司