CN107131826B - 一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，涉及数控机床误差测量辨识技术领域。确定激光干涉仪初始安装位置，驱动平动轴，采集平动轴行程上激光干涉仪读数：设置平动轴行程上等距分布的n个测量点，其中n>2；驱动平动轴至各个测量点，采集激光干涉仪的激光A和激光B的读数，在测量点p处，调整激光干涉仪至第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离为L；驱动平动轴，采集平动轴行程上激光干涉仪读数，在测量点p处，计算各个测量点处平动轴运动方向线性误差；根据初始安装位置，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，计算各个测量点处平动轴方向线性误差。

Description

一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法

技术领域

本发明涉及数控机床误差测量辨识技术领域。

背景技术

几何误差是影响机床加工精度的主要误差源，对机床几何误差进行补偿成为提高机床加工精度的重要手段。几何误差元素测量辨识是几何误差误差补偿技术的基础，是精度提升的先决必备条件之一。

现有技术在测量辨识运动轴几何误差元素时在快速性和完整性上有待进一步提高。实际中大多采用基于激光干涉仪的9线法、12线法等测量工作空间中多条线误差求解平动轴几何误差元素，需要设备的多次安装。整个过程需要激光干涉仪等设备的多次安装和多次测量才能获得误差元素，往往辅助装置的寻找与安装等准备时间占到整体测量时间的80％以上。而分步体对角线法中激光和反射镜之间存在校准误差，而且激光头和反射镜的安装比较困难。

另外，误差元素辨识的完整性关系到数控机床工作空间精度模型的精确度，关乎精度提升方法效果。因此开展误差元素快速测量及完整辨识研究能够为轴数控机床误差在线实时检测研究步伐，是确保加工精度提升技术研究得以实现的基础之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，它能有效地解决平动轴几何误差的快速测量问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、根据待测机床平动轴的类型，确定激光干涉仪初始安装位置，并确定激光干涉仪激光A和激光B的相对位置；

步骤2、驱动平动轴，采集平动轴行程上激光干涉仪读数，包括步骤：

步骤2.1、设置平动轴行程上等距分布的n个测量点，其中n>2；

步骤2.2、驱动平动轴至各个测量点，采集激光干涉仪的激光A和激光B的读数，在测量点p处，激光A的读数为A₁(p)，激光B的读数为B₁(p)；

步骤3、调整激光干涉仪至第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离为L；

步骤4、驱动平动轴，采集平动轴行程上激光干涉仪读数，在测量点p处，激光A的读数为A₂(p)，激光B的读数为B₂(p)；

步骤5、根据初始安装位置处激光干涉仪激光A的读数，计算各个测量点处平动轴运动方向线性误差δ_ii，其中i＝x,y,z；

步骤6、根据初始安装位置处激光A和激光B的相对位置，结合激光干涉仪激光A的读数A₁和激光B的读数B₁，计算各个测量点处平动轴k方向角度误差ε_ik和j方向线性误差δ_ij，其中j,k＝x,y,z，且i≠j≠k；

步骤7、根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，计算各个测量点处平动轴j方向角度误差ε_ij和k方向线性误差δ_ik；

步骤8、根据初始安装位置和第二安装位置激光干涉仪激光A和激光B的读数A₁、B₁和A₂、B₂，计算各个测量点处平动轴运动方向角度误差ε_ii。

所述步骤1中根据待测平动轴类型，确定激光干涉仪初始安装位置，并确定激光干涉仪激光A和激光B的相对位置，包括步骤：

步骤1.1、确定待测平动轴的类型i，其中i＝x,y,z；

步骤1.2、安装激光干涉仪，使得激光干涉仪激光A和激光B所在直线垂直于平动轴运动方向i；

步骤1.3、确定激光干涉仪初始安装位置，使得激光干涉仪激光A和激光B所在直线平行于j方向，j＝x,y,z且j≠i；

步骤1.4、测量激光干涉仪激光A和激光B之间距离M；

步骤1.5、调整激光干涉仪中反射镜位置，保证激光干涉仪正常工作。

所述步骤3中调整激光干涉仪至第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离为L，包括步骤：

步骤3.1、确定第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离在k方向距离为L，其中k＝x,y,z且k≠j≠i；

步骤3.2、保持激光干涉仪激光A和激光B之间距离M不变，沿着k方向移动激光干涉仪至第二安装位置；

步骤3.3、调整激光干涉仪中反射镜位置，保证激光干涉仪正常工作。

所述步骤4中平动轴行程上的测量点与步骤2中平动轴行程上的测量点分布相同。

所述步骤5中根据初始安装位置处激光干涉仪激光A的读数，计算各个测量点处平动轴运动方向线性误差δ_ii，辨识公式为：

δ_ii(p)＝A₁(p)

其中δ_ii(p)表示平动轴测量点p处运动方向线性误差。

所述步骤6中根据初始安装位置处激光A和激光B相对位置，结合激光干涉仪激光A的读数A₁和激光B的读数B₁，计算各个测量点处平动轴k方向角度误差ε_ik和j方向线性误差δ_ij，包含步骤：

步骤6.1、结合激光干涉仪激光A的读数A₁和激光B的读数B₁，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到各个测量点处平动轴k方向角度误差ε_ik计算公式为：

其中ε_ik(p)表示平动轴测量点p处k方向角度误差；

步骤6.2、基于激光干涉仪直线度误差计算原理由平动轴k方向角度误差ε_ik计算平动轴j方向线性误差δ_ij，得到各个测量点处平动轴j方向线性误差δ_ij计算公式为：

其中δ_ij(p)表示平动轴测量点p处j方向线性误差，l_i表示平动轴行程。

所述步骤7中根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，计算各个测量点处平动轴j方向角度误差ε_ij和k方向线性误差δ_ik，包含步骤：

步骤7.1、根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到各个测量点处平动轴j方向角度误差ε_ij计算公式为：

其中ε_ij(p)表示平动轴测量点p处j方向角度误差；

步骤7.2、基于激光干涉仪直线度误差计算原理由平动轴j方向角度误差ε_ij计算平动轴k方向线性误差δ_ik，得到各个测量点处平动轴k方向线性误差δ_ik计算公式为：

其中δ_ik(p)表示平动轴测量点p处k方向线性误差。

所述步骤8中根据初始安装位置和第二安装位置激光干涉仪激光A和激光B的读数A₁、B₁和A₂、B₂，计算各个测量点处平动轴运动方向角度误差ε_ii，包含步骤：

步骤8.1、结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和激光B的读数B₂，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到第二安装位置处平动轴k方向角度误差ε_ik2计算公式为：

步骤8.2、基于激光干涉仪直线度误差计算原理由第二安装位置处平动轴k方向角度误差ε_ik2计算第二安装位置处平动轴j方向线性误差δ_ij2计算公式为：

步骤8.3、根据平动轴运动方向角度误差对k方向上不同平面内的线性误差δ_ij的影响，得到平动轴运动方向角度误差ε_ii计算公式为：

其中ε_ii(p)表示平动轴测量点p处k方向运动方向角度误差。

在平动轴的各个测量点处，计算平动轴几何误差，随着平动轴位置变化而变化。

所述激光干涉仪具有两个激光发射装置。

进一步地，在平动轴各个测量点处计算平动轴几何误差，随着平动轴位置变化而变化。

进一步地，激光干涉仪具有两个激光发射装置。

本发明与现有技术相比的优点和效果：

具体的有益效果是：操作简单、快速，只需通过在两个安装位置处的测量，快速实现每个平动轴几何误差测量辨识，同时获得了平动轴所有的几何误差，实现平动轴几何误差的快速测量完整辨识。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响示意图；

图3为本发明激光干涉仪直线度误差计算原理示意图；

图4为本发明平动轴运动方向角度误差对k方向上不同平面内的线性误差δ_ij的影响示意图；

图5a为本发明Y轴y方向线性误差δ_yy；

图5b为本发明Y轴z方向角度误差ε_yz；

图5c为本发明Y轴x方向线性误差δ_yx；

图5d为本发明Y轴x方向角度误差ε_yx；

图5e为本发明Y轴z方向线性误差δ_yz；

图5f为本发明Y轴y方向角度误差ε_yy；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

附图1所示为本发明基于激光干涉仪测量的平动轴几何误差快速测量辨识方法流程图，以机床Y轴为例，来阐明本发明方法。

步骤1、根据待测平动轴类型，确定激光干涉仪初始安装位置，并确定激光干涉仪激光A和激光B的相对位置，包括步骤：

步骤1.1、确定待测平动轴Y轴类型为y；

步骤1.2、安装激光干涉仪，使得激光干涉仪激光A和激光B所在直线垂直于机床y方向；

步骤1.3、确定激光干涉仪初始安装位置，使得激光干涉仪激光A和激光B所在直线平行于机床x方向；

步骤1.4、测量激光干涉仪激光A和激光B之间距离M＝26.87mm；

步骤1.5、调整激光干涉仪中反射镜位置，保证激光干涉仪正常工作。

步骤2、驱动Y轴，采集Y轴轴行程上激光干涉仪读数，包括步骤：

步骤2.1、设置Y行程上等距分布的n个测量点，n＝16；

步骤2.2、驱动平动轴至各个测量点，采集激光干涉仪激光A和激光B读数。测量点p处，激光A读数为A₁(p)，激光B读数为B₁(p)。

步骤3、调整激光干涉仪至第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离为L，包含步骤：

步骤3.1、确定第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离在z方向距离为L，L＝150mm；

步骤3.2、保持激光干涉仪激光A和激光B之间距离M不变，沿着k方向移动激光干涉仪至第二安装位置；

步骤3.3、调整激光干涉仪中反射镜位置，保证激光干涉仪正常工作。

步骤4、驱动平动轴，在步骤2中Y行程上等距分布的16个测量点处激光干涉仪读数，测量点p处，激光A读数为A₂(p)，激光B读数为B₂(p)。

步骤5、根据初始安装位置处激光干涉仪激光A读数，计算各个测量点处Y轴y方向线性误差δ_yy。因为激光干涉仪激光方向平行Y轴运动方向，所以激光干涉仪读数直接测量Y轴运动方向定位误差，这里选择初始安装位置处激光干涉仪激光A读数为相应线性误差δ_yy，每个测量点δ_yy为：

δ_yy(p)＝A₁(p)

附图5a所示为计算所得的Y轴y方向线性误差δ_yy。

步骤6、根据初始安装位置处激光A和激光B相对位置，结合激光干涉仪激光A读数A₁和激光B读数B₁，计算各个测量点处Y轴z方向角度误差ε_yz和x方向线性误差δ_yx，包含步骤：

步骤6.1、Y轴z方向角度误差会使得激光A和激光B读数有所差别，平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响示意图如附图2所示。结合激光干涉仪激光A读数A₁和激光B读数B₁，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到各个测量点处Y轴z方向角度误差ε_yz计算公式为：

附图5b所示为计算所得的Y轴z方向角度误差ε_yz。

步骤6.2、激光干涉仪直线度误差计算原理是由某方向角度误差计算垂直度该方向的线性误差，如附图3所示。由Y轴z方向角度误差ε_yz计算Y轴x方向线性误差δ_yx，得到各个测量点处δ_yx计算公式为：

其中Y轴行程l_y为315mm。附图5c所示为计算所得的Y轴x方向线性误差δ_yx。

步骤7、根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A读数A₁，计算各个测量点处Y轴x方向角度误差ε_yx和z方向线性误差δ_yz，包含步骤：

步骤7.1、Y轴x方向角度误差会使得初始安装位置和第二安装位置处同个激光读数有所差别，如附图2所示的平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响。根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A读数A₁，依据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到Y轴x方向角度误差ε_yx为：

附图5c所示为计算所得的Y轴x方向角度误差ε_yx。

步骤7.2、基于附图3所示的激光干涉仪直线度误差计算原理由Y轴x方向角度误差ε_yx计算Y轴z方向线性误差δ_yz，计算公式为：

附图5e所示为计算所得的Y轴z方向线性误差δ_yz。

步骤8、根据初始安装位置和第二安装位置激光干涉仪激光A和激光B读数A₁、B₁和A₂、B₂，计算各个测量点处Y轴y方向角度误差ε_yy，包含步骤：

步骤8.1、结合第二安装位置激光干涉仪激光A读数A₂和激光B读数B₂，根据附图2所示的平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到第二安装位置处Y轴z方向角度误差ε_yz2计算公式为：

步骤8.2、基于附图3所示的激光干涉仪直线度误差计算原理由第二安装位置处Y轴z方向角度误差ε_yz2，计算第二安装位置处Y轴x方向线性误差δ_yx2：

步骤8.3、Y轴y方向角度误差会使得初始安装位置和第二安装位置处Y轴x方向线性误差有所差别，附图4所示为平动轴运动方向角度误差对k方向上不同平面内的线性误差δ_ij的影响示意图。根据初始安装位置处Y轴线性误差δ_yx和第二安装位置处Y轴线性误差δ_yx2，得到Y轴y方向角度误差ε_yy计算公式为：

附图5f所示为计算所得的Y轴y方向角度误差ε_yy。

最终获得Y轴6项几何误差，同时，该发明同样可以测量辨识机床X轴和Z轴的6项几何误差。

本发明最后得到平动轴的6项几何误差。附图只是一个优选实施例，上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本方面的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定激光干涉仪激光A和激光B的相对位置，包括步骤：

步骤1.1、确定待测平动轴的类型i，其中i＝x,y,z；

步骤1.2、安装激光干涉仪，使得激光干涉仪激光A和激光B所在直线垂直于平动轴运动方向i；

步骤1.3、确定激光干涉仪初始安装位置，使得激光干涉仪激光A和激光B所在直线平行于j方向，j＝x,y,z且j≠i；

步骤1.4、测量激光干涉仪激光A和激光B之间距离M；

步骤1.5、调整激光干涉仪中反射镜位置，保证激光干涉仪正常工作；

步骤2、驱动平动轴，采集平动轴行程上激光干涉仪读数，包括步骤：

步骤2.1、设置平动轴行程上等距分布的n个测量点，其中n>2；

步骤2.2、驱动平动轴至各个测量点，采集激光干涉仪的激光A和激光B的读数，在测量点p处，激光A的读数为A₁(p)，激光B的读数为B₁(p)；

步骤3、调整激光干涉仪至第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离为L，包括步骤：

步骤3.1、确定第二安装位置，使得第二安装位置与初始安装位置距离在k方向距离为L，其中k＝x,y,z且k≠j≠i；

步骤3.2、保持激光干涉仪激光A和激光B之间距离M不变，沿着k方向移动激光干涉仪至第二安装位置；

步骤3.3、调整激光干涉仪中反射镜位置，保证激光干涉仪正常工作；

步骤4、驱动平动轴，采集平动轴行程上激光干涉仪读数，在测量点p处，激光A的读数为A₂(p)，激光B的读数为B₂(p)；

步骤5、根据初始安装位置处激光干涉仪激光A的读数，计算各个测量点处平动轴运动方向线性误差δ_ii，其中i＝x,y,z；

步骤6、根据初始安装位置处激光A和激光B的相对位置，结合激光干涉仪激光A的读数A₁和激光B的读数B₁，计算各个测量点处平动轴k方向角度误差ε_ik和j方向线性误差δ_ij，其中j,k＝x,y,z，且i≠j≠k，包含步骤：

步骤6.1、结合激光干涉仪激光A的读数A₁和激光B的读数B₁，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到各个测量点处平动轴k方向角度误差ε_ik计算公式为：

其中ε_ik(p)表示平动轴测量点p处k方向角度误差；

步骤6.2、基于激光干涉仪直线度误差计算原理由平动轴k方向角度误差ε_ik计算平动轴j方向线性误差δ_ij，得到各个测量点处平动轴j方向线性误差δ_ij计算公式为：

其中δ_ij(p)表示平动轴测量点p处j方向线性误差，l_i表示平动轴行程；

步骤7、根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，计算各个测量点处平动轴j方向角度误差ε_ij和k方向线性误差δ_ik；

步骤8、根据初始安装位置和第二安装位置激光干涉仪激光A和激光B的读数A₁、B₁和A₂、B₂，计算各个测量点处平动轴运动方向角度误差ε_ii。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤4中平动轴行程上的测量点与步骤2中平动轴行程上的测量点分布相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤5中根据初始安装位置处激光干涉仪激光A的读数，计算各个测量点处平动轴运动方向线性误差δ_ii，辨识公式为：

δ_ii(p)＝A₁(p)

其中δ_ii(p)表示平动轴测量点p处运动方向线性误差。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤7中根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，计算各个测量点处平动轴j方向角度误差ε_ij和k方向线性误差δ_ik，包含步骤：

步骤7.1、根据第二安装位置与初始安装位置距离，结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和初始安装位置激光干涉仪激光A的读数A₁，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到各个测量点处平动轴j方向角度误差ε_ij计算公式为：

其中ε_ij(p)表示平动轴测量点p处j方向角度误差；

步骤7.2、基于激光干涉仪直线度误差计算原理由平动轴j方向角度误差ε_ij计算平动轴k方向线性误差δ_ik，得到各个测量点处平动轴k方向线性误差δ_ik计算公式为：

其中δ_ik(p)表示平动轴测量点p处k方向线性误差。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，其特征在于：所述步骤8中根据初始安装位置和第二安装位置激光干涉仪激光A和激光B的读数A₁、B₁和A₂、B₂，计算各个测量点处平动轴运动方向角度误差ε_ii，包含步骤：

步骤8.1、结合第二安装位置激光干涉仪激光A的读数A₂和激光B的读数B₂，根据平动轴角度误差对激光干涉仪读数影响，得到第二安装位置处平动轴k方向角度误差ε_ik2计算公式为：

步骤8.2、基于激光干涉仪直线度误差计算原理由第二安装位置处平动轴k方向角度误差ε_ik2计算第二安装位置处平动轴j方向线性误差δ_ij2计算公式为：

步骤8.3、根据平动轴运动方向角度误差对k方向上不同平面内的线性误差δ_ij的影响，得到平动轴运动方向角度误差ε_ii计算公式为：

其中ε_ii(p)表示平动轴测量点p处k方向运动方向角度误差。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉仪的机床平动轴几何误差快速测量方法，其特征在于：在平动轴的各个测量点处，计算平动轴几何误差，随着平动轴位置变化而变化。