CN109822422A - 一种抛光机床回转轴几何误差测量装置与调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛光机床回转轴几何误差测量装置与调整方法。该装置包括数据采集***，计算机，安装于磨具主轴上的标准圆球(2)，以及安装于抛光工件安装主轴(3)上的测量装置；基于测量装置，几何误差调整方法包括以下步骤：首先对测量装置进行标定，得到测量结果与标准球空间位置的变换矩阵；其次进行各回转轴运动，对标准球空间运动轨迹进行测量；接着利用误差分析模型，辨识回转轴误差大小及方向；最后依据误差辨识结果对几何误差进行调整，减少几何误差，满足机床安装精度要求。本发明克服了现有抛光机床回转轴几何误差难以进行空间误差测量导致的误差调整效率低，调整精度差的现状。

Description

一种抛光机床回转轴几何误差测量装置与调整方法

技术领域

本发明属于机床领域，具体涉及一种抛光机床回转轴几何误差测量装置与调整方法。

背景技术

抛光机床广泛应用于光学器件、人工关节等表面质量要求高的精密零件加工中，在抛光精密加工中回转轴的几何误差对产品的加工质量有直接影响。抛光机床的回转轴与通用机床相比具有典型的特点，理论上其回转轴应相交于一点(虚支点)以保证磨具在抛光过程中相对于工件位置保持不变，而由于零件加工误差、装配误差及安装变形等原因导致的回转轴轴线不相交导致的几何误差成为了加工中的主要误差要素。对多个回转轴轴线之间位置关系的调整往往是抛光机床装配与精度调整中最困难最耗时的部分。

到目前为止，抛光机床中回转轴几何误差的调整仍然主要采用单个千分表进行。这种打表法的测量方式只能获取到虚支点在空间中一个方向上的变动。但由于回转轴几何误差的各个误差项存在着相互影响的关系，对于技术人员来说难以判断机床回转轴的实际误差状态，同时通过反复试调难以使各项误差同时减小。因此，由于缺乏抛光机床回转轴多轴空间几何误差测量装置与调整方法，导致了实际装配及精度调整中的困难，使抛光精度难以进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有抛光机床回转轴几何误差难以进行空间误差测量导致的误差调整效率低，调整精度差的现状，提供了一种抛光机床回转轴几何误差测量装置与调整方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种抛光机床回转轴几何误差测量装置，包括数据采集***，计算机，安装于磨具主轴上的标准圆球，以及安装于抛光工件安装主轴上的测量装置；其中，

测量装置包括安装于抛光工件安装主轴上的圆锥形夹具以及安装于该圆锥形夹具的周向上且均匀设置的三个位移传感器，用于对安装于磨具主轴上的标准圆球进行空间位移实时测量，三个位移传感器的输出端均连接至数据处理***的输入端，数据处理***的输出端连接至计算机的输入端。

本发明进一步的改进在于，标准圆球的圆球球心与虚支点重合，且标准圆球的圆球度误差在1μm以下，采用钢制或陶瓷标准圆球。

本发明进一步的改进在于，三个位移传感器的测量轴线与抛光工件安装主轴的轴线成设定空间角度，以实现对标准圆球空间运动轨迹测量。

本发明进一步的改进在于，三个位移传感器的沿圆锥形夹具轴线圆周方向均匀分布，空间相交于一点，且位移传感器的测头顶端为平面，以测量标准圆球的空间位置变动，测量中抛光工件安装主轴锁定，使得三个位移传感器作为基准测量仪器保持固定。

一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，包括以下步骤：

1)对测量装置进行标定，得到测量结果与标准圆球空间位置的变换矩阵；

2)分别进行磨具主轴和抛光工件安装主轴运动，对标准圆球空间位置及运动轨迹进行测量；

3)利用误差分析模型，辨识以工件主轴为参照的抛光机床回转轴几何误差大小及方向；

4)依据误差辨识结果对几何误差进行调整，减少几何误差，满足机床安装精度要求。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，对测量装置进行标定，具体方法如下：

101)将测量装置安装于抛光工件安装主轴上，将标准圆球安装于磨具主轴上，通过抛光机床X、Y、Z轴直线运动，移动测量装置或标准圆球，使得标准圆球球心对准三个位移传感器测量轴线的交点处，并设置该点为抛光机床测量与调整状态的原点位置；

102)通过编制数控程序，实现X，Y，Z轴平移运动，依据测量装置尺寸，设置停止点距离，则停止点为以原点为中点的“田”字型对称9个坐标位置；

103)标定试验中，在每个停止点位置停止3秒，测量得到对应的位置传感器示值，通过最小二乘法反求得到从位移传感器测量结果变动到实际空间笛卡尔坐标系下位置变动的转换矩阵。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，具体测量方法为：

201)回转轴误差测量时，其回转轴线与X，Y，Z轴中某个运动轴平行，以使测量误差轨迹位于另外两个坐标轴形成的运动平面内；

202)通过测量装置测量得到回转轴在转动一周或转动角度全行程中标准圆球的空间运动轨迹。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，通过实时测量得到的标准圆球空间运动轨迹，拟合最小二乘圆心，则回转轴当前姿态下标准圆球球心与拟合轨迹的最小二乘圆心形成的空间矢量即是需要调整消除的几何误差矢量。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，依据测量装置实时测量和显示的几何误差矢量大小与方向，遵循从末端回转轴到底端回转轴的顺序，逐一通过回转轴结构中的调整机构进行几何误差的机械结构调整，使得几何误差满足机床误差要求。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的抛光机床回转轴空间几何误差测量装置，通过安装于抛光工件安装主轴上成空间角度的三个位移传感器实现对安装于磨具主轴上的标准圆球进行空间位移实时测量。测量过程中夹具主轴锁死，保持三个位移传感器空间位姿固定。通过位移传感器测量信号采集与数据处理***实时获取测量结果，为误差调整提供依据。

进一步，标准圆球为精密加工零件，其安装于磨具主轴上时圆球球心与虚支点重合，标准圆球圆球度误差应控制在1μm以下，采用钢制或陶瓷标准圆球。

进一步，三个位移传感器测量轴线与抛光工件安装主轴轴线成一定空间角度(如45°)，以实现标准圆球空间运动轨迹测量，三个位移传感器沿圆周方向均匀分布，固定于安装在抛光工件安装主轴的夹具上。

本发明提供的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，首先运用机床自身的X，Y，Z三轴运动对测量装置进行标定，通过最小二乘方法反求得到测量结果与标准球空间位置的变换矩阵，则在实际测量过程中三个位移传感器示值乘以该变换矩阵即为被测标准圆球在空间笛卡尔坐标系下的实际位置。其次分别进行各回转轴全行程运动，对各回转轴运动中标准球空间运动轨迹进行测量，利用误差分析模型，辨识得到回转轴空间几何误差大小及方向。最后依据误差辨识结果得到的虚支点目标位置(误差矢量)和当前测量***测量得到的标准圆球实时位置，依据机床机械结构中的调整机构对回转轴进行空间几何误差调整，减少几何误差，满足机床安装精度要求。

附图说明

图1为本发明抛光机床回转轴几何误差测量装置的结构示意图。

图2为包含三个位移传感器的测量装置结构示意图，图2(a)为侧视图，图2(b)为俯视图。

图3为本发明基于抛光机床回转轴空间几何误差测量的误差调整方法流程图。

图4为本发明调整矢量大小与方向的确定方法示意图。

附图标记说明：

1-磨具主轴(H轴)，2-标准圆球，3-圆锥形夹具，4-位移传感器，5-抛光工件安装主轴(S轴)，6-回转轴B轴，7-回转轴C轴。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置，包括数据采集***，计算机，安装于磨具主轴1上的标准圆球2，以及安装于抛光工件安装主轴5上的测量装置；其中，测量装置包括安装于抛光工件安装主轴5上的圆锥形夹具3以及安装于该圆锥形夹具3的周向上且均匀设置的三个位移传感器4，用于对安装于磨具主轴1上的标准圆球2进行空间位移实时测量，三个位移传感器4的输出端均连接至数据处理***的输入端，数据处理***的输出端连接至计算机的输入端。

其中，标准圆球2的圆球球心与虚支点重合，且标准圆球2的圆球度误差在1μm以下，采用钢制或陶瓷标准圆球。三个位移传感器4的测量轴线与抛光工件安装主轴5的轴线成设定空间角度(如45°)，以实现对标准圆球2空间运动轨迹测量。此外，三个位移传感器4的沿圆锥形夹具3轴线圆周方向均匀分布，空间相交于一点，且位移传感器4的测头顶端为平面，以测量标准圆球2的空间位置变动，测量中抛光工件安装主轴5锁定，使得三个位移传感器4作为基准测量仪器保持固定。

如图3和图4所示，图3为基于抛光机床回转轴空间几何误差测量的误差调整方法流程，按照该流程可实现抛光机床回转轴几何误差高效、精确调整，具体实施方式中以某7轴抛光机床为例，给出了具体的误差调整方法。图4为基于回转轴全行程运动过程中标准圆球运动轨迹的几何误差调整矢量大小与方向的确定方法，具体实施方式中以回转轴B轴6为例给出了具体的误差测量与调整方法。本发明提供的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，包括以下步骤：

1)对测量装置进行标定，得到测量结果与标准圆球2空间位置的变换矩阵；具体标定方法为：

101)将测量装置安装于抛光工件安装主轴5上，将标准圆球2安装于磨具主轴1上，通过抛光机床X、Y、Z轴直线运动，移动测量装置或标准圆球2，使得标准圆球2球心对准三个位移传感器4测量轴线的交点处，并设置该点为抛光机床测量与调整状态的原点位置；

102)通过编制数控程序，实现X，Y，Z轴平移运动，依据测量装置尺寸，设置停止点距离(如0.5mm)，则停止点为以原点为中点的“田”字型对称9个坐标位置(各点距离0.5mm)；

103)标定试验中，在每个停止点位置停止3秒，测量得到对应的位置传感器示值，通过最小二乘法反求得到从位移传感器测量结果变动到实际空间笛卡尔坐标系下位置变动的转换矩阵。

2)分别进行磨具主轴1和抛光工件安装主轴5运动，对标准圆球2空间位置及运动轨迹进行测量；具体测量方法为：

201)回转轴误差测量时，其回转轴线与X，Y，Z轴中某个运动轴平行，以使测量误差轨迹位于另外两个坐标轴形成的运动平面内；

202)通过测量装置测量得到回转轴在转动一周或转动角度全行程中标准圆球2的空间运动轨迹。

3)利用误差分析模型，辨识回转轴误差大小及方向；通过实时测量得到的标准圆球2空间运动轨迹，拟合最小二乘圆心，则回转轴当前姿态下标准圆球2球心与拟合轨迹的最小二乘圆心形成的空间矢量即是需要调整消除的几何误差矢量。

4)依据误差辨识结果对几何误差进行调整，减少几何误差，满足机床安装精度要求，具体是依据测量装置实时测量和显示的几何误差矢量大小与方向，遵循从末端回转轴到底端回转轴的顺序，逐一通过回转轴结构中的调整机构(偏心圆盘、调整螺母等)进行几何误差的机械结构调整，使得几何误差满足机床误差要求。

以某型7轴抛光机床回转轴几何误差测量与误差调整为实例，对本发明进行详细说明：

一、抛光机床回转轴几何误差测量装置设计

7轴抛光机床结构如附图1所示，包含X，Y，Z三个平动轴，B，C两个回转轴，以及S轴与H轴两个主轴。实际抛光工作中，工件安装于S轴，抛光磨具安装于H轴。这台机床的一个特点就是回转轴B轴6与回转轴C轴7相交于抛光中的虚支点。需要指出的是，该结构是抛光机床回转轴相交的一种典型结构，抛光机床也存在着其他运动轴空间设计布置形式，但普遍具有回转轴相交于一点的典型特点，因此本发明具有对抛光机床回转轴几何误差测量和调整的通用性。

几何误差测量装置在抛光机床上的安装如附图1所示，标准圆球安装于磨具主轴顶端，圆球球心与主轴轴线和机床虚支点重合，本实例中标准圆球为钢球。包含成空间角度的三个位移传感器的测量装置安装于抛光工件安装主轴上，测量中抛光工件安装主轴锁定，使三个位移传感器作为基准测量仪器保持固定。通过电缆线将测量信号传输至数据采集***中，并传输至个人电脑端，通过接口程序显示测量结果。

安装于抛光工件安装主轴上的测量装置具体结构如附图2所示，位移传感器为3个等角度分布的Heidenhain-METRO MT1281型位移传感器，传感器测量精度±0.2μm，测量范围为12mm。测量装置安装于抛光工件安装主轴上，传感器测量轴线与抛光工件安装主轴轴线为45°，传感器顶端安装的平面触头，以实现目标圆球空间位置测量。数据采集***采用Heidenhain-EIB 741，通过接口协议，开发标准球测量位置实时显示与调整量计算软件，能够通过实时测量B轴或C轴转动时标准球的空间轨迹，圆拟合该空间轨迹，得到相应的轴线位置误差和调整量。

二、基于回转轴空间误差实时测量的抛光机床误差调整

1.测量装置标定

通过测量装置直接测量得到的是三个位移传感器的位移变化结果，而实际中，更关心的是标准圆球在XYZ坐标系中的空间位置变化轨迹。理论上，可以通过三个位移传感器与XYZ坐标系的空间角度关系将传感器的位移测量结果转换为XYZ坐标变化。然而由于测量装置夹具本身存在的加工误差，传感器的安装误差，以及测量装置安装于抛光工件安装主轴上与XYZ轴的对准误差，这种理论上的转换可能存在较大误差。因此，利用机床本身的XYZ轴运动，实现对测量装置测量结果转换矩阵的标定。

首先将测量装置安装于抛光工件安装主轴上，将标准圆球对准并移动到三个位移传感器测量轴线的交点处，并设置此点为标准圆球标定原点。取停止点间距为0.5mm，9个停止点形成以原点为中心的“田”字型分布，通过编制NC程序，实现机床X、Y、Z轴平移运动，将测量装置沿“田”字型中任意相邻两点间直线轨迹进行空间平移运动。试验中，在各停止点位置停止3秒，测量得到各位移传感器位移变动。截取其中各停止点位置数据，并求取停止点位置各传感器各段平均值。若三个位移传感器的示值为矢量为：p_sensor＝(p_sensor1,p_sensor2,p_sensor3)，而对应的机床XYZ坐标矢量为：p_XYZ＝(X,Y,Z)，转换矩阵为：T，则有：

p_sensor＝p_XYZ·T (1)

已知各指令停止点位置，通过测量装置测量得到各位移传感器在指令停止点位置的示值，则可以通过最小二乘法求得T：

T＝p_XYZ\p_sensor (2)

并单位化得到(本例中数据，与实际测量装置加工、安装误差有关)：

这样，就实现了从位移传感器测量结果变动到实际空间笛卡尔坐标系下位置变动的转换。

2.抛光机床回转轴几何误差测量、辨识与调整

测量装置标定完成后，即可进行抛光机床回转轴几何误差测量、辨识与调整，具体实施过程如附图3所示。在此过程中，均采用标准圆球转换后在空间笛卡尔坐标系下位置。以平行于Y轴的回转轴B轴为例，通过测量装置测量得到C轴为-90°固定时，B轴转动全行程(从-63°到73°，保证机床不发生干涉碰撞，进给速率为F＝500°/min)，标准圆球在空间XZ平面的轨迹。

标准圆球在XZ平面轨迹如附图4所示，轨迹近似于圆弧形。通过最小二乘圆拟合得到其圆心位置(十字标记位置)，也即实际B轴轴线位置，也是虚支点调整的目标位置。实心圆点为B轴与C轴摆臂返回调整位置(B轴为45°，C轴为-90°)时，虚支点在XZ平面的实际位置。这里调整位置是指机床调整开始时的当前位置，一般是便于进行机械结构几何误差调整的运动轴位置。连接当前位置与目标位置之间的空间矢量即为进行几何精度调整的调整矢量：

v＝(0.095 0.131)

即需要将虚支点从当前位置沿X轴方向移动0.095mm，沿Z轴方向移动0.131mm，到达目标位置。在本实例中，抛光机床中存在可供调整的偏心机构，通过X、Z方向需要调整的距离，确定旋转偏性机构角度，即可准确实现虚支点沿X轴和Z轴方向的移动和误差调整。

以上给出了单个回转轴几何误差测量与调整的方法，对于抛光机床中多个回转轴一般误差相互独立，但也存在机床调整结构导致的误差耦合现象，一般可从末端回转轴开始进行测量与调整，逐次向底端回转轴调整，即可实现机床相交回转轴空间几何误差的快速测量与调整。对比传统的千分表测量方法，由于是单方向测量，调整过程各个方向的误差相互影响，需要反复试调，完成精度调整往往需要几天时间。本发明基于回转轴空间几何误差测量的误差调整过程只需要几个小时，在调整精度与调整效率方面具有极大优势。

Claims (9)

1.一种抛光机床回转轴几何误差测量装置，其特征在于，包括数据采集***，计算机，安装于磨具主轴(1)上的标准圆球(2)，以及安装于抛光工件安装主轴(3)上的测量装置；其中，

测量装置包括安装于抛光工件安装主轴(3)上的圆锥形夹具(4)以及安装于该圆锥形夹具(4)的周向上且均匀设置的三个位移传感器(5)，用于对安装于磨具主轴(1)上的标准圆球(2)进行空间位移实时测量，三个位移传感器(5)的输出端均连接至数据处理***的输入端，数据处理***的输出端连接至计算机的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置，其特征在于，标准圆球(2)的圆球球心与虚支点重合，且标准圆球(2)的圆球度误差在1μm以下，采用钢制或陶瓷标准圆球。

3.根据权利要求1所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置，其特征在于，三个位移传感器(5)的测量轴线与抛光工件安装主轴(3)的轴线成设定空间角度，以实现对标准圆球(2)空间运动轨迹测量。

4.根据权利要求1所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置，其特征在于，三个位移传感器(5)的沿圆锥形夹具(4)轴线圆周方向均匀分布，空间相交于一点，且位移传感器(5)的测头顶端为平面，以测量标准圆球(2)的空间位置变动，测量中抛光工件安装主轴(3)锁定，使得三个位移传感器(5)作为基准测量仪器保持固定。

5.权利要求1至4中任一项所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对测量装置进行标定，得到测量结果与标准圆球(2)空间位置的变换矩阵；

2)分别进行磨具主轴(1)和抛光工件安装主轴(3)运动，对标准圆球(2)空间位置及运动轨迹进行测量；

3)利用误差分析模型，辨识以工件主轴为参照的抛光机床回转轴几何误差大小及方向；

4)依据误差辨识结果对几何误差进行调整，减少几何误差，满足机床安装精度要求。

6.根据权利要求5所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，其特征在于，步骤1)中，对测量装置进行标定，具体方法如下：

101)将测量装置安装于抛光工件安装主轴(3)上，将标准圆球(2)安装于磨具主轴(1)上，通过抛光机床X、Y、Z轴直线运动，移动测量装置或标准圆球(2)，使得标准圆球(2)球心对准三个位移传感器(5)测量轴线的交点处，并设置该点为抛光机床测量与调整状态的原点位置；

102)通过编制数控程序，实现X，Y，Z轴平移运动，依据测量装置尺寸，设置停止点距离，则停止点为以原点为中点的“田”字型对称9个坐标位置；

103)标定试验中，在每个停止点位置停止3秒，测量得到对应的位置传感器示值，通过最小二乘法反求得到从位移传感器测量结果变动到实际空间笛卡尔坐标系下位置变动的转换矩阵。

7.根据权利要求6所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，其特征在于，步骤2)中，具体测量方法为：

201)回转轴误差测量时，其回转轴线与X，Y，Z轴中某个运动轴平行，以使测量误差轨迹位于另外两个坐标轴形成的运动平面内；

202)通过测量装置测量得到回转轴在转动一周或转动角度全行程中标准圆球(2)的空间运动轨迹。

8.根据权利要求7所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，其特征在于，步骤3)中，通过实时测量得到的标准圆球(2)空间运动轨迹，拟合最小二乘圆心，则回转轴当前姿态下标准圆球(2)球心与拟合轨迹的最小二乘圆心形成的空间矢量即是需要调整消除的几何误差矢量。

9.根据权利要求8所述的一种抛光机床回转轴几何误差测量装置的误差调整方法，其特征在于，步骤4)中，依据测量装置实时测量和显示的几何误差矢量大小与方向，遵循从末端回转轴到底端回转轴的顺序，逐一通过回转轴结构中的调整机构进行几何误差的机械结构调整，使得几何误差满足机床误差要求。