一種五坐標測量機綜合誤差校準方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及坐標測量機校準領域，具體為一種五坐標測量機綜合誤差校準方法，滿足校準方式與實際檢測方式一致要求，正確分析五軸綜合誤差對檢測零件的影響，同時也是量值溯源的要求。通過合理建立坐標系，設計確定校準的空間理論位置，制定校準路徑，實現(xiàn)空間五軸綜合誤差校準。本發(fā)明在四軸坐標測量機綜合精度校準技術的基礎上，研制設計了五軸(兩個轉軸、三個坐標軸)測量機綜合精度校準的方案和步驟，設計建立適宜的坐標系、校準方案和校準路徑，通過確定標準檢測球的球心在測量空間內(nèi)的各種理論位置，實現(xiàn)對各理論位置的實際檢測，并通過理論值與實測值的比對得出五坐標測量機的綜合誤差值，滿足校準方式與實際檢測方式狀態(tài)一致要求。
【專利說明】一種五坐標測量機綜合誤差校準方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及坐標測量機校準領域，具體為一種五坐標測量機綜合誤差校準方法?！颈尘凹夹g】
[0002]為滿足生產(chǎn)科研和計量檢測量技術的發(fā)展需求，五坐標測量機綜合精度校準已成為一項急需解決的校準技術問題。依據(jù)JJF1064—2010坐標測量機校準規(guī)范的要求,對于多軸測量機應進行綜合校準精度校準，坐標測量機校準規(guī)范中規(guī)定了四軸坐標測量機綜合誤差的校準，即對一個水平旋轉軸和三個線性坐標軸綜合誤差進行校準，并對四軸誤差校準的具體操作方法進行了規(guī)定，確定了如何建立坐標系、構建空間理想位置、坐標轉換以及實際檢測的方法和步驟，并對綜合徑向誤差、切向誤差、軸向誤差的評價方法進行了規(guī)定。
[0003]對于五坐標測量機綜合誤差的校準技術，目前還沒有相關的技術文件支持，無法進行綜合誤差校準。由于增加了 一個旋轉軸，與四軸綜合誤差校準方案產(chǎn)生了不同，五軸綜合誤差校準在建立坐標系時，應考慮傾斜轉軸的方向，并在坐標系轉換及建立空間理論位置時，應將水平旋軸繞傾斜轉軸進行旋轉，校準誤差應包含水平和傾斜轉軸不垂直帶來的影響等。
[0004]研究解決五坐標測量機綜合精度校準，不僅可滿足國家規(guī)范的要求，使校準方式與實際檢測工件的方式達到一致，同時便于正確分析五軸測量機對檢測工件的整體精度影響，從而可保證產(chǎn)品的檢測質量。因此，完成此項技術工作具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種五坐標測量機綜合誤差校準方法，滿足校準方式與實際檢測方式一致要求，正確分析五軸綜合誤差對檢測零件的影響，同時也是量值溯源的要求。通過合理建立坐標系，設計確定校準的空間理論位置，制定校準路徑，實現(xiàn)空間五軸綜合誤差校準。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]一種五坐標測量機綜合誤差校準方法，具體步驟如下:
[0008]I)五坐標測量機的綜合誤差校準設計
[0009]在五坐標測量機的轉臺上建立一個可隨轉臺轉動的工件坐標系，對于一臺理想的五坐標測量機，轉臺上任一點在轉至空間任意位置時，對工件坐標系來說都是不變的；若該點因空間位置改變而對其工件坐標系發(fā)生變化，說明該點偏離了工件坐標系，這是五個軸綜合誤差作用的結果，五軸分別為:x軸、Y軸、Z軸三個線性坐標軸和轉臺上兩個相互垂直的轉軸:水平轉軸和傾斜轉軸；校準方案的設計是通過測量安裝在轉臺上的檢測球心坐標值的變化，來評價五坐標測量機綜合精度的校準結果；
[0010]在轉臺上的檢測球位置誤差方向是由徑向、切向和軸向確定的，校準時對轉臺上處于空間各理想位置的檢測球進行一系列測量，分別得到實際檢測球與各理想位置在三個方向上的誤差，并分別計算出徑向誤差FR、切向誤差FT和軸向誤差FA的最大變化范圍，以此來判定該測量設備是否符合規(guī)定的最大允許誤差值；
[0011]2)校準裝置的建立
[0012]采用形狀經(jīng)校準的兩標準檢測球，將檢測球對徑安裝在轉臺半徑處，盡量靠近轉臺傾斜轉軸的上方，高度差為Δ h ;校準時，用高球和低球分別進行校準，以誤差最大的檢測值作為校準結果；
[0013]3)坐標系的建立
[0014]在轉臺上建立一個直角工件坐標系，滿足下列條件:
[0015](I)檢測球心坐標定義為原點；
[0016](2)基準軸Z軸平行于水平轉軸的軸線，定義為軸向；
[0017](3)第2軸X軸平行于傾斜轉軸的軸線，定義為徑向；
[0018](4)第3軸Y軸由Z軸和X軸確定并產(chǎn)生，定義為切向；
[0019]4)空間校準點的理論位置
[0020]當傾斜轉軸分別處于O °、30°、60°、90°位置，水平轉軸位置同時在O °~360°內(nèi)間隔為30°的各理論位置；
[0021]5)校準過程
[0022]a)在五坐標測量機的測量軟件上建立理論位置點:按建立的理論位置分別建立坐標系，以各個坐標系原點代替理論位置，以理論位置的徑向、切向和軸向確定三個坐標軸方向；
[0023]b)在五坐標測量機上對標準檢測球心坐標位置進行實際檢測:
[0024]按上述建立各點坐標系即理論位置，并對標準檢測球所處的實際位置進行檢測，計算理想位置與實測位置的坐標差值，如果轉臺和坐標軸沒有誤差即處于理想狀態(tài)，各點實際位置坐標差值應為零；若各點坐標差值不為零，則分別以三個方向上的最大最小差值作為五坐標測量機的綜合誤差，即徑向誤差、切向誤差和軸向誤差；
[0025]對標準球實際位置進行檢測時，工作轉臺所處位置:傾斜角分別處于0°、30°、60°、90°位置時，水平轉角處于0°~360°內(nèi)間隔為30°的各角度位置；計算所有檢測球中心的徑向誤差、切向誤差和軸向誤差的峰-峰值，作為三個方向上的五軸綜合誤差。
[0026]所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，校準分別在檢測球處于高低兩對徑位置上進行。
[0027]所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，高度差Λ h分別為100mm、200mm、400mm、400mm.800mm 對應的轉臺半徑 r 分別為 100mm、200mm、200mm、400mm、400mm。
[0028]所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，在轉臺傾角為0°時，建立Otl坐標系，X、Z軸分別平行于轉臺傾斜轉軸和水平轉軸；以Z軸為旋轉軸將Otl坐標系轉30°，建立新坐標系為O1 ;再以Z軸為旋轉軸將O1坐標系轉30°，建立新坐標系為O2 ;以同樣的方法建立新坐標系03、04......011,各新建坐標系原點即為理論位置；
[0029]在轉臺傾角為30°時，先以傾斜轉軸為軸將水平轉軸和Otl坐標系同時轉動30°，建立0/坐標系，再以水平轉軸為軸轉動坐標系30°，建立新坐標系為0/ ;傾斜轉軸不動，再以水平轉軸為軸轉動坐標系30°，建立新坐標系為O2'，以同樣的方法建立新坐標系O3'、0/......01/，各新建坐標系原點即為理論位置；
[0030]以相同的方法再分別建立轉臺傾斜角為60°、90°時的各空間理論位置及坐標系O
[0031]所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，校準過程具體如下:
[0032]a)使轉臺兩軸即水平轉軸和傾斜轉軸處于零位，以轉臺上標準檢測球的球心建立坐標系原點；按水平轉動方向轉動轉臺，每轉30°角位對標準檢測球進行檢測，從整個圓周測得的標準檢測球中心坐標值確定出水平轉軸的矢量方向，并建立坐標系Z軸；按傾斜轉動方向轉動轉臺，以同樣的方法確定出傾斜轉軸的矢量方向，建立坐標系X軸；從而完成整個坐標系的建立；
[0033]b)當轉臺傾角處于0°時，在五坐標測量機的測量軟件上進行設置，以水平轉軸為軸線旋轉的坐標系至水平各轉角位置12個角位置，建立各理論位置的新坐標系I?12 ;然后，轉動轉臺，當標準檢測球轉至理論位置時，用五坐標測量機進行實際檢測，在相應的新坐標系下測得的坐標值即為綜合精度校準值，分為徑向誤差、切向誤差、軸向誤差；
[0034]c)當轉臺傾角處于30°時，在五坐標測量機的測量軟件上進行設置時，先以傾斜轉軸為軸線，傾斜轉動轉臺30°，在以水平轉軸為軸線旋轉的坐標系至水平各轉角位置12個角位置，建立各理論位置的新坐標系I?12 ;然后，按理論位置轉動轉臺，并用五坐標測量機進行實際檢測，在相應的新坐標系下測得的坐標值即為綜合精度校準值，分為徑向誤差、切向誤差、軸向誤差；
[0035]d)以相同的方法再分別校準傾斜角為60°、90°位置時，并按記錄各點的徑向誤
差、切向誤差、軸向誤差；
[0036]按上述校準過程在檢測球處于高位和低位分別進行一次，在所有綜合精度校準值中最大徑向誤差、最大切向誤差和最大軸向誤差為最后檢測結果。
[0037]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是:
[0038]1、本發(fā)明主要是依據(jù)JJF1064—2010坐標測量機國家校準規(guī)范,在四軸坐標測量機綜合精度校準技術的基礎上，研制設計了五軸(兩個轉軸、三個坐標軸)測量機綜合精度校準的方案和步驟，設計建立適宜的坐標系、校準方案和校準路徑，通過確定標準檢測球的球心在測量空間內(nèi)的各種理論位置，實現(xiàn)對各理論位置的實際檢測，并通過理論值與實測值的比對得出五坐標測量機的綜合誤差值，滿足校準方式與實際檢測方式一致的要求。
[0039]2、本發(fā)明開展該校準項目，可以滿足校準方式與實際檢測方式一致的要求，正確分析五坐標測量機對零件檢測精度的影響和量值溯源的要求，對保證復雜零件的檢測質量具有重要意義。
[0040]3、目前的校準現(xiàn)狀只是對轉軸精度和坐標軸精度分別進行校準，無法給出五軸綜合誤差的結果。隨著生產(chǎn)科研和計量檢測技術的發(fā)展，五軸加工和測量設備越來越多，并在生產(chǎn)加工和計量檢測技術中發(fā)揮重要的作用，準確掌握多軸坐標測量機綜合誤差是急需解決的一項技術問題。因此，五軸綜合精度校準技術具有廣泛的應用前景。
[0041]4、經(jīng)驗證及測量不確定度分析，本發(fā)明校準方法可以滿足預期的校準要求。該校準方法是通過坐標系變換產(chǎn)生理論位置，并經(jīng)過與實測值比對的方法完成，現(xiàn)已完成了現(xiàn)場實際校準工作，滿足校準要求。目前，由于五軸測量設備越來越多，對其綜合誤差校準是一項急需開展的工作，因此開展五坐標測量機的綜合精度校準應具有較高的經(jīng)濟效益。
[0042]總之，本發(fā)明主要是在四軸坐標測量機綜合精度校準技術的基礎上，研制設計了五軸(兩個轉軸、三個坐標軸)測量機綜合精度校準的方案和步驟，通過理論值與實測值的比對得出五坐標測量機的綜合誤差值，滿足校準方式與實際檢測方式狀態(tài)一致的要求，同時也能滿足量值溯源要求，完善坐標測量機校準規(guī)范，填補無法校準五坐標測量機綜合精度的空白。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為五軸坐標測量機示意圖。圖中，I測量機測頭；3轉臺；6工作臺。
[0044]圖2為誤差方向不意圖。圖中，A—徑向誤差；B—切向誤差；C一軸向誤差。
[0045]圖3為五坐標測量機綜合精度校準示意圖。圖中，2檢測球(高位)；7檢測球(低位)。
[0046]圖4為傾斜轉軸的傾角為0°時校準過程示意圖。圖中，I測量機測頭；2檢測球；3轉臺；4水平轉動方向；5傾斜轉動方向。
[0047]圖5為傾斜轉軸的傾角為30°時校準過程示意圖。
[0048]圖6為傾斜轉軸的傾角為60°時校準過程示意圖。
[0049]圖7為傾斜轉軸的傾角為90°時校準過程示意圖。
【具體實施方式】
[0050]本發(fā)明五坐標測量機綜合誤差校準方法，具體如下:
[0051]I)五坐標測量機的綜合誤差校準原理
[0052]如圖1所示，被校準測量設備為五坐標測量機，主要由三個線性坐標軸(X軸、Y軸、Z軸)、測量機測頭1、兩軸轉臺3 (水平轉軸、傾斜轉軸)及工作臺6等構成，測量機測頭I可以沿三個線性坐標軸(X軸、Y軸、Z軸)線性移動，轉臺3設置于工作臺6上形成旋轉工作臺，轉臺3可以沿水平轉軸轉動，也可以沿傾斜轉軸轉動。
[0053]如圖2所示，五坐標測量機綜合精度校準參數(shù)為徑向誤差A、切向誤差B、軸向誤差C0
[0054]如圖3所示,在五坐標測量機的轉臺上建立一個工件坐標系(隨轉臺轉動)，對于一臺理想的五坐標測量機，在工作轉臺進行水平和傾斜旋轉時，轉臺上任意一點的位置對工件理想坐標系應保持不變。當某點因空間位置改變而對其工件理想坐標系發(fā)生變化時，說明該點偏離了工件坐標系，這是五個軸綜合誤差作用的結果，五軸分別為:三個線性坐標軸(X軸、Y軸、Z軸)和轉臺上兩個相互垂直的轉軸:水平轉軸、傾斜轉軸。因此，可以通過測量安裝在旋轉工作臺上的檢測球(高位)2或檢測球(低位)7位置的坐標變化，來評價五坐標測量機綜合精度的校準結果。
[0055]基于上述原理，安裝在工作臺上的檢測球中心可由徑向、切向和軸向三個方向確定，校準時對轉臺上處于空間各理想位置的檢測球進行一系列測量，分別得到實際檢測球與各理想位置在三個方向的誤差，并分別計算出徑向誤差FR、切向誤差FT和軸向誤差FA的最大范圍，以此來判定該測量設備是否符合規(guī)定的最大允許誤差值。校準時，檢測球位置可在高低兩對徑位置上分別獨立進行，兩檢測球安裝位置見圖3中的檢測球(高位)2和檢測球(低位)7。
[0056]2)校準裝置的建立
[0057]校準用的標準檢具是檢測球(高位)2和檢測球(低位)7，采用形狀經(jīng)校準的標準球。
[0058]將檢測球安裝在旋轉工作臺上半徑 處，盡量靠近工作臺表面且在傾斜轉軸上方，檢測球(高位)2和檢測球(低位)7的高度差為Λ h，檢測球在旋轉工作臺上的位置如表I。檢測球的安裝必須足夠牢固，以避免晃動或彎曲變形引起的誤差，見圖3。
[0059]表1
[0060]
【權利要求】
1.一種五坐標測量機綜合誤差校準方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)五坐標測量機的綜合誤差校準設計 在五坐標測量機的轉臺上建立一個可隨轉臺轉動的工件坐標系，對于一臺理想的五坐標測量機，轉臺上任一點在轉至空間任意位置時，對工件坐標系來說都是不變的；若該點因空間位置改變而對其工件坐標系發(fā)生變化，說明該點偏離了工件坐標系，這是五個軸綜合誤差作用的結果，五軸分別為:x軸、Y軸、Z軸三個線性坐標軸和轉臺上兩個相互垂直的轉軸:水平轉軸和傾斜轉軸；校準方案的設計是通過測量安裝在轉臺上的檢測球心坐標值的變化，來評價五坐標測量機綜合精度的校準結果； 在轉臺上的檢測球位置誤差方向是由徑向、切向和軸向確定的，校準時對轉臺上處于空間各理想位置的檢測球進行一系列測量，分別得到實際檢測球與各理想位置在三個方向上的誤差，并分別計算出徑向誤差FR、切向誤差FT和軸向誤差FA的最大變化范圍，以此來判定該測量設備是否符合規(guī)定的最大允許誤差值； 2)校準裝置的建立 采用形狀經(jīng)校準的兩標準檢測球，將檢測球對徑安裝在轉臺半徑r處，盡量靠近轉臺傾斜轉軸的上方，高度差為Ah ;校準時，用高球和低球分別進行校準，以誤差最大的檢測值作為校準結果； 3)坐標系 的建立 在轉臺上建立一個直角工件坐標系，滿足下列條件: (1)檢測球心坐標定義為原點； (2)基準軸Z軸平行于水平轉軸的軸線，定義為軸向； (3)第2軸X軸平行于傾斜轉軸的軸線，定義為徑向； (4)第3軸Y軸由Z軸和X軸確定并產(chǎn)生，定義為切向； 4)空間校準點的理論位置 當傾斜轉軸分別處于0°、30°、60°、90°位置，水平轉軸位置同時在0°~360°內(nèi)間隔為30°的各理論位置； 5)校準過程 a)在五坐標測量機的測量軟件上建立理論位置點:按建立的理論位置分別建立坐標系，以各個坐標系原點代替理論位置，以理論位置的徑向、切向和軸向確定三個坐標軸方向； b)在五坐標測量機上對標準檢測球心坐標位置進行實際檢測: 按上述建立各點坐標系即理論位置，并對標準檢測球所處的實際位置進行檢測，計算理想位置與實測位置的坐標差值，如果轉臺和坐標軸沒有誤差即處于理想狀態(tài)，各點實際位置坐標差值應為零；若各點坐標差值不為零，則分別以三個方向上的最大最小差值作為五坐標測量機的綜合誤差，即徑向誤差、切向誤差和軸向誤差； 對標準球實際位置進行檢測時，工作轉臺所處位置:傾斜角分別處于0°、30°、60°、90°位置時，水平轉角處于0°~360°內(nèi)間隔為30°的各角度位置；計算所有檢測球中心的徑向誤差、切向誤差和軸向誤差的峰-峰值，作為三個方向上的五軸綜合誤差。
2.按照權利要求1所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，其特征在于，校準分別在檢測球處于高低兩對徑位置上進行。
3.按照權利要求2所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，其特征在于，高度差Λh分別為 100mm、200mm、400mm、400mm、800mm 對應的轉臺半徑 r 分別為 100mm、200mm、200mm、400mm、400mm。
4.按照權利要求1所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，其特征在于，在轉臺傾角為O。時，建立Otl坐標系，X、Z軸分別平行于轉臺傾斜轉軸和水平轉軸；以Z軸為旋轉軸將O。坐標系轉30°，建立新坐標系為O1;再以Z軸為旋轉軸將O1坐標系轉30°，建立新坐標系為O2 ;以同樣的方法建立新坐標系03、O4......011,各新建坐標系原點即為理論位置； 在轉臺傾角為30°時，先以傾斜轉軸為軸將水平轉軸和Otl坐標系同時轉動30°，建立O0'坐標系，再以水平轉軸為軸轉動坐標系30°，建立新坐標系為0/ ;傾斜轉軸不動，再以水平轉軸為軸轉動坐標系30°，建立新坐標系為O2'，以同樣的方法建立新坐標系O3'、0/......01/，各新建坐標系原點即為理論位置； 以相同的方法再分別建立轉臺傾斜角為60°、90°時的各空間理論位置及坐標系。
5.按照權利要求1所述的五坐標測量機綜合誤差校準方法，其特征在于，校準過程具體如下: a)使轉臺兩軸即水平轉軸和傾斜轉軸處于零位，以轉臺上標準檢測球的球心建立坐標系原點；按水平轉動方向轉動轉臺，每轉30°角位對標準檢測球進行檢測，從整個圓周測得的標準檢測球中心坐標值確定出水平轉軸的矢量方向，并建立坐標系Z軸；按傾斜轉動方向轉動轉臺，以同樣的方法確定出傾斜轉軸的矢量方向，建立坐標系X軸；從而完成整個坐標系的建立； b)當轉臺傾角處于0°時，在五坐標測量機的測量軟件上進行設置，以水平轉軸為軸線旋轉的坐標系至水平各轉角位置12個角位置，建立各理論位置的新坐標系I~12 ;然后，轉動轉臺，當標準檢測球轉至理論位置時，用五坐標測量機進行實際檢測，在相應的新坐標系下測得的坐標值即為綜合精度校準值，分為徑向誤差、切向誤差、軸向誤差； c)當轉臺傾角處于30°時，在五坐標測量機的測量軟件上進行設置時，先以傾斜轉軸為軸線，傾斜轉動轉臺30°，在以水平轉軸為軸線旋轉的坐標系至水平各轉角位置12個角位置，建立各理論位置的新坐標系I~12 ;然后，按理論位置轉動轉臺，并用五坐標測量機進行實際檢測，在相應的新坐標系下測得的坐標值即為綜合精度校準值，分為徑向誤差、切向誤差、軸向誤差； d)以相同的方法再分別校準傾斜角為60°、90°位置時，并按記錄各點的徑向誤差、切向誤差、軸向誤差； 按上述校準過程在檢測球處于高位和低位分別進行一次，在所有綜合精度校準值中最大徑向誤差、最大切向誤差和最大軸向誤差為最后檢測結果。
【文檔編號】G01B21/00GK103591913SQ201310579454
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18日
【發(fā)明者】王東, 張露, 王呈, 王玉 申請人:沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司