機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械儀器設(shè)計(jì)領(lǐng)域及機(jī)床檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何 誤差辨識(shí)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)航空航天和汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于各種 復(fù)雜零件的加工。多軸數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于復(fù)雜零件加工時(shí)，在其幾何精度保證方面主要有兩 個(gè)熱點(diǎn)問題：（1)為滿足復(fù)雜零部件的加工精度要求，必須確保所采用多軸數(shù)控機(jī)床具有足 夠的初始幾何精度。（2)當(dāng)多軸數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于零件的加工后，隨著時(shí)間的推移，機(jī)床的精 度有所下降。為此，必須定期對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差檢測(cè)和補(bǔ)償，以保證機(jī)床加工精度維持在較為 穩(wěn)定的水平。
[0003] 無論是評(píng)價(jià)機(jī)床的初始精度，還是定期對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，幾何誤差檢 測(cè)都至關(guān)重要，其核心問題是誤差檢測(cè)工具和相應(yīng)的辨識(shí)方法。機(jī)床幾何誤差的獲取方法 包括:直接測(cè)量和間接辨識(shí)兩種途徑。在直接測(cè)量方法中，一般采用激光干涉儀檢測(cè)平動(dòng)軸 定位誤差，運(yùn)用電子水平儀檢測(cè)平動(dòng)軸角度誤差，運(yùn)用激光干涉儀和多種棱鏡組合檢測(cè)直 線度誤差和垂直度誤差。美國(guó)API公司也研發(fā)了能夠一次檢測(cè)出平動(dòng)軸6項(xiàng)誤差的6D激光干 涉儀。雖然通過多種檢測(cè)設(shè)備的組合使用進(jìn)行平動(dòng)軸幾何誤差直接檢測(cè)，能夠獲得平動(dòng)軸 的各項(xiàng)幾何誤差，但通常情況下電子水平儀無法檢測(cè)平動(dòng)軸繞豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，激光 干涉儀與棱鏡組合檢測(cè)直線度和垂直度誤差時(shí)，需要多次精準(zhǔn)調(diào)整光學(xué)儀器的位姿，對(duì)工 程師的工程經(jīng)驗(yàn)依賴很大，且調(diào)節(jié)過程耗時(shí)。6D激光干涉儀雖然能實(shí)現(xiàn)單次調(diào)試檢測(cè)多項(xiàng) 幾何誤差，但是使用6D激光干涉儀時(shí)通常需要同時(shí)調(diào)節(jié)6路激光，調(diào)節(jié)難度很大，一般工況 的機(jī)床難于在大工作行程內(nèi)6路激光同時(shí)滿足檢測(cè)要求，且該種儀器的成本很高。
[0004] 相對(duì)于直接測(cè)量，間接辨識(shí)的方法可基于某一種檢測(cè)儀器獲取平動(dòng)軸的幾何誤 差，成本較低，但辨識(shí)精度依賴于所采用的辨識(shí)方法。目前，針對(duì)多軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸的誤 差檢測(cè)和辨識(shí)，應(yīng)用最多的儀器就是激光干涉儀?；诩す飧缮鎯x國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了很 多的誤差辨識(shí)方法，如22線法，14線法，12線法，9線法等等。22線法需要復(fù)雜的遍歷或者迭 代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)起來比較繁瑣且難度較大；14線法有中"平動(dòng)軸的直線度誤差的和為零"的假 設(shè)條件使得該方法缺乏一定通用性。12線法和9線法中平動(dòng)軸定位誤差的檢測(cè)忽略了相應(yīng) 角度誤差的影響，此外應(yīng)用9線法檢測(cè)時(shí)需要激光干涉儀和棱鏡多次組合安裝，調(diào)節(jié)比較耗 時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明在于提出一 種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法，所述方法具有檢測(cè)成本低，檢測(cè)過程用時(shí)少和辨識(shí)精度 尚的優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法，所述方法包括:在機(jī)床平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng) 行程所構(gòu)成的工作空間內(nèi)確定13條聯(lián)動(dòng)軌跡線且每條聯(lián)動(dòng)軌跡線上均具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行 機(jī)床使主軸分別沿13條所述聯(lián)動(dòng)軌跡線移動(dòng)并記錄節(jié)點(diǎn)處的理想行程和實(shí)際行程;進(jìn)行平 動(dòng)軸幾何誤差建模并根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的理想行程和實(shí)際行程計(jì)算機(jī)床平動(dòng)軸的幾何誤差。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法，通過檢測(cè)數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)軌跡 線的定位精度，實(shí)現(xiàn)獲取平動(dòng)軸幾何誤差的高精度辨識(shí)算法。
[0008] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述方法還包括:將反射鏡通過磁性座安裝在機(jī)床主 軸端面上，安裝激光干涉儀和干涉鏡，調(diào)節(jié)激光光路并通過數(shù)控單元控制機(jī)床沿聯(lián)動(dòng)軌跡 線軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中每到一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)單元停止預(yù)定時(shí)間等待激光干涉儀采集 數(shù)據(jù)。
[0009] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，以機(jī)床平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)行程構(gòu)成的長(zhǎng)方體工作空間中的頂 點(diǎn)A為原點(diǎn)且經(jīng)過頂點(diǎn)A的三邊分別為X軸、Y軸和Z軸建立坐標(biāo)系，分別沿X軸、Y軸和Z軸將所 述工作空間η等分并在交點(diǎn)處形成節(jié)點(diǎn)，以將所述工作空間離散處理形成(n+1 )3個(gè)節(jié)點(diǎn)。
[0010] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，每條所述聯(lián)動(dòng)軌跡線均包括n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，所述聯(lián)動(dòng)軌跡 線包括:所述工作空間上共頂點(diǎn)A的三個(gè)表面上平行X軸的三條邊構(gòu)成的三條X軸軌跡線L1、 L2、L3;所述工作空間上共頂點(diǎn)A的三個(gè)表面上平行Y軸的三條邊構(gòu)成的三條Y軸軌跡線L4、 L5、L6;所述工作空間上共頂點(diǎn)A的三個(gè)表面上平行Z軸的三條邊構(gòu)成的三條Z軸軌跡線L7、 L8、L9;所述工作空間上共頂點(diǎn)A的三個(gè)表面上位于X-Y平面上的對(duì)角線構(gòu)成的X、Y軸聯(lián)動(dòng)軌 跡線L10;所述工作空間上共頂點(diǎn)Α的三個(gè)表面上位于Χ-Ζ平面上的對(duì)角線構(gòu)成的Χ、Ζ軸聯(lián)動(dòng) 軌跡線L11;所述工作空間上共頂點(diǎn)Α的三個(gè)表面上位于Υ-Ζ平面上的對(duì)角線構(gòu)成的Υ、Ζ軸聯(lián) 動(dòng)軌跡線L12;所述工作空間上經(jīng)過頂點(diǎn)Α的對(duì)角線構(gòu)成的Χ、Υ、Ζ軸聯(lián)動(dòng)軌跡線L13。
[0011] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述聯(lián)動(dòng)軌跡線上從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)Α開始的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的 理想行程和實(shí)際行程如下：
[0012]與X單軸運(yùn)動(dòng)方向平行的3條X軸軌跡線的理想行程分別LXl且實(shí)際檢測(cè)行程分別 為 Lli、L2i、L3i，
[0013]與Y單軸運(yùn)動(dòng)方向平行的3條Y軸軌跡線的理想行程分別Lyi且實(shí)際檢測(cè)行程分別 為L(zhǎng)4i、L5i、L6i，
[0014] 與Z單軸運(yùn)動(dòng)方向平行的3條Z軸軌跡線的理想行程分別LZl且實(shí)際檢測(cè)行程分別 為L(zhǎng)7i、L8i、L9i，
[0015] 沿X、Y聯(lián)動(dòng)軌跡線運(yùn)動(dòng)的理想行程分別1^71且實(shí)際檢測(cè)行程分別為L(zhǎng)lOn
[0016] 沿X、Z聯(lián)動(dòng)軌跡線運(yùn)動(dòng)的理想行程分別1^21且實(shí)際檢測(cè)行程分別為L(zhǎng)lh，
[0017] 沿Y、Z聯(lián)動(dòng)軌跡線運(yùn)動(dòng)的理想行程分別1^21且實(shí)際檢測(cè)行程分別為L(zhǎng)12U
[0018] 沿Χ、Υ、Ζ聯(lián)動(dòng)軌跡線運(yùn)動(dòng)的理想行程分別1^721且實(shí)際檢測(cè)行程分別為L(zhǎng)13U
[0019] 其中i為從1到n+1的整數(shù)。
[0020] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，進(jìn)行平動(dòng)軸幾何誤差建模的方法包括：
[0021] 為機(jī)床床身和平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)單元固聯(lián)空間坐標(biāo)系分別為：{Οο-ΧοΥοΖο}，{Ox-X xYxZx}， {0y-XyY yZy}和{0ζ-ΧζΥζΖ ζ}，設(shè)定所有坐標(biāo)系具有相同的姿態(tài)，且所有坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于X，Υ， Ζ軸運(yùn)動(dòng)軸線的交點(diǎn)處，設(shè)定進(jìn)行聯(lián)動(dòng)軌跡定位誤差檢測(cè)時(shí)，反射鏡鏡面中心相對(duì)于三個(gè)坐 標(biāo)軸原點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，設(shè)定X軸運(yùn)動(dòng)單元相對(duì)于機(jī)床床身的三項(xiàng)線性誤差源和三項(xiàng)角度誤差 源分別為4\八\，2\，知，0,，丫^￥軸相對(duì)于乂軸的三項(xiàng)線性誤差源和三項(xiàng)角度誤差源分別為 ： Xy，Yy，Zy，ay，0y，y y;Z軸相對(duì)于Y軸的三項(xiàng)線性誤差源和三項(xiàng)角度誤差源分別為:Χζ，Υζ，Ζ ζ， ~，氏，丫2。其中4，￥，2,〇，0，丫分別表示線性誤差和角度誤差的方向，反射鏡的幾何誤差
[0022]
[0023] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，平動(dòng)軸偏擺誤差、顛擺誤差和定位誤差的辨識(shí)方法包 括：
[0024] 定義與X單軸運(yùn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的3條直線段的理想控制指令值均為L(zhǎng)Xi，相應(yīng)的實(shí)際 檢測(cè)值為1]^兒21兒31。運(yùn)動(dòng)軌跡1^1與1^2之間的距離為012，運(yùn)動(dòng)軌跡1^1與]^3之間的距離為 D13，X軸運(yùn)動(dòng)單元在X軸運(yùn)動(dòng)行程各離散節(jié)點(diǎn)上的偏擺誤差和顛擺誤差分別為： ΙΛ--H fy LA... -.a
[0025] 定義與Υ單軸運(yùn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的3條直線段的理想控制指令值均為L(zhǎng)yi，相應(yīng)的實(shí)際 檢測(cè)值為L(zhǎng)4i，L5i，L6i。運(yùn)動(dòng)軌跡L4與L5之間的距離為D45，運(yùn)動(dòng)軌跡L4與L6之間的距離為 D46。根據(jù)幾何知識(shí)，可辨識(shí)Y軸運(yùn)動(dòng)單元在Y軸運(yùn)動(dòng)行程各離散節(jié)點(diǎn)上的偏擺誤差和顛擺誤 差如下： L5 - ΙΛ /.6-/.4
[0026]
[0027] 定義與Z單軸運(yùn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的3條直線段的理想控制指令值均為L(zhǎng)Zi，相應(yīng)的實(shí)際 檢測(cè)值為L(zhǎng)7i，L8i，L9i。運(yùn)動(dòng)軌跡L7與L8之間的距離為D78，運(yùn)動(dòng)軌跡L7與L9之間的距離為 D79。根據(jù)幾何知識(shí)，可辨識(shí)Z軸運(yùn)動(dòng)單元在Z軸運(yùn)動(dòng)行程各離散節(jié)點(diǎn)上的偏擺誤差和顛擺誤 差如下：
[0028] A = =
[0029] 當(dāng)Χ、Υ、Ζ軸單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅有與運(yùn)動(dòng)單元相關(guān)的幾何誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生影響，不 參與運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)動(dòng)軸的幾何誤差可視為零，Χ、Υ、Ζ單軸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)共有三條軌跡線，為提升 定位誤差的辨識(shí)精度，可對(duì)x、Y、z軸三條軌跡線的檢測(cè)辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行平均處理。求得Χ、Υ、Ζ 軸的定位誤差分別如下：
[0030] ~=峨,+(從-私)+ (12,：^) + (兌-叫
[0031] Κ + (λ4 - Υ4)+說；Y5)+(m)
[0032] 4二(只-耶(氣邳)+ (碼，) J 〇
[0033] 進(jìn)一步地，平動(dòng)軸滾動(dòng)誤差的辨識(shí)方法包括：
[0034] 聯(lián)動(dòng)軌跡線與單軸運(yùn)動(dòng)軌跡線的理想夾角分別如下： Τγ
[0035] Χ、Υ軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與X軸軌跡線的理想夾角為：=
[0036] X、Y軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Y軸軌跡線的理想夾角為：=C〇s1^·)
[0037] X、Z軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與X軸軌跡線的理想夾角為：=C0s、t)
[0038] X、Z軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Z軸軌跡線的理想夾角為：糾1__, zCosli)
[0039] Y、Z軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Y軸軌跡線的理想夾角為：舛2,, = Cosl#1·) Lyzi
[0040] Y、Z軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Z軸軌跡線的理想夾角為：妁L =C〇s1^)
[0041 ] 聯(lián)動(dòng)軌跡L13與X、Y、Z軸的理想夾角
[0042] Χ、Υ、Ζ軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與X軸軌跡線的夾角為：糾夂
[0043] X、Y、Z軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Y軸軌跡線的夾角為：=C〇S-
[0044] X、Y、Z軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Z軸軌跡線的夾角為：
[0045] 考慮角度誤差對(duì)定位誤差的影響，聯(lián)動(dòng)軌跡L10，L11，L12分別與Χ、Υ、Ζ軸的實(shí)際夾 角為：
[0046] Χ、Υ軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與X軸軌跡線的夾角為：
[0056] Υ、Ζ軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與Ζ軸軌跡線的實(shí)際夾角為：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0057]
[0058] 聯(lián)動(dòng)軌跡L13與X、Y、Z軸的夾角
[0059] Χ、Υ、Ζ軸聯(lián)動(dòng)軌跡線與X軸軌