CN111561882A - 回转轴六自由度的动态测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回转轴六自由度的动态测量装置，包括机架、动力机构、数据采集***和数据分析***，机架上设置有测量机构和运动接头机构；数据采集***与测量机构相连，对测量机构的测量数据进行采集；数据分析***与数据采集***相连，用于对数据采集***采集到的数据进行分析；所述测量机构包括角度测量机构和位移测量机构；本发明还公开了一种用于回转轴六自由度的动态测量装置的测量方法，步骤包括S1安装、S2调整、S3数据采集和S4数据处理；本发明在同一设备中就可完成回转轴的六自由度测量，解决了回转轴误差多平面分开测量和角度误差分开测量造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题；具有测量效率高、结构简单、安装方便等优点，同时也大大降低了检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及空间几何精度检测，尤其是一种回转轴六自由度的动态测量装置及测量方法。
背景技术
回转轴六自由度包含沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，依据标准ISO230-2、ISO230-7可将回转轴六自由度进行划分，绕Z轴旋转的自由度为回转轴位置精度，其他5个方向自由度为回转轴全姿态动态回转精度。在技术研究方面，回转轴六自由度是评价回转轴动态性能重要技术指标，以机床为例，机床主轴六自由度直接影响被加工零件的加工质量，在工程运用方面，国外精密机床已把主轴回转误差测量作为机床精度检测必选项。
目前，对于回转轴六自由度的测量是进行分开测量的，主要有回转轴的位置精度和回转精度检测两种检测设备，位置精度检测设备主要检测回转轴沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的位移误差，回转精度检测设备主要检测回转轴绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。上述两种检测设备能获得测量的信息有限，难以实现在一次测量中完成对于回转轴六自由度的全部测量，造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题。
其中，回转轴位置精度检测主要基于圆光栅编码器和激光干涉两种测量原理，都需要专用检测设备，且专用检测设备价格昂贵，提高了检测成本。回转精度有基于精密钢球或陶瓷球的静态测量法和动态测量法两类。静态测量法本质上测得的是回转轴和球体的跳动，回转轴高速运转时，其准静态测量的数据与实际工况状态有较大差异；回转轴动态回转精度测量仪器测量基准与安装接头分离，大多采用弹簧夹头的装夹方式，装配精度不高，放大回转精度，降低测量精度，且弹簧结构影响测量结构动平衡，无法实现高速测量；同时，动态回转精度测量仪器多采用外部时间触发进行检测数据采集，无法准确定位回转轴位置，难以去除速度波动对测量结果的影响，降低测量精度。
发明内容
本发明为解决现有技术无法一次性对回转轴的六自由度进行同步测量和测量精度低的技术问题是提供一种回转轴六自由度的动态测量装置及测量方法。
本发明所采用的技术方案是：回转轴六自由度的动态测量装置，包括：
机床；
运动接头机构，布置在机架上，用于连接回转轴；
动力机构，与机架相连，用于驱动运动接头单元转动；
测量机构，布置在机架上,用于测量回转轴的相关参数；
数据采集***，与测量机构相连，对测量机构的测量数据进行采集；
数据分析***，与数据采集***相连，用于对数据采集***采集到的数据进行分析；所述测量机构包括角度测量机构和位移测量机构。
本发明将被测的回转轴安装到运动接头机构上，运动接头机构安装在机架上，机架再与机床进行连接，通过数据采集***采集测量机构所测的实时数据，并通过数据分析***计算出回转轴的六自由度。解决了回转轴误差多平面分开测量和角度误差分开测量造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题；本发明在一个设备中就可完成回转轴的六自由度测量，具有测量效率高、结构简单、安装方便等优点，同时也大大降低了检测成本。
进一步的是，所述运动接头机构包括安装台，安装台一端设置有测量轴，另一端设置有用于安装回转轴的安装接头，安装接头与测量轴同轴布置；安装台靠近测量轴的一侧为安装面，安装面垂直于测量轴；在测量轴的轴向上间隔一定距离的布置有第一测量面和第二测量面，测量轴远离安装台的端部为第三测量面；第一测量面和第二测量面相互平行，第三测量面与第一测量面相互垂直。
测量轴和被测的回转轴同轴安装，因此通过测量轴的相关数据就可测出回转轴的相关数据。第一测量面和第二测量面用于检测回转轴在X轴和Y轴上的位移误差的基准面，第三测量面用于检测回转轴在Z轴上的位移误差。通过测出的位移误差再求出回转轴绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。本发明在X轴和Y轴的方向上设置有两个测量面，也就是第一测量面和第二测量面，相比于一个测量面而言，更能保证回转轴的垂直精度，降低安装误差，使测量数据更加准确。
进一步的是，所述运动接头机构为一体成型。相比于现有技术中安装接头与检验基准分离式的结构，本发明的运动接头机构为一体成型，一方面装配精度显著提高，提高测量精度，另一方面改变结构动平衡，能实现高速测量。
进一步的是，所述角度测量机构包括布置在安装面上的圆光栅，运动接头机构通过圆光栅与机架相连；机架上设置有至少一个用于读取圆光栅数据的读数头，读数头通过线束与数据采集***相连；
所述位移测量机构包括设置在机架上的五个位移传感器，分别为位移传感器Ⅰ、位移传感器Ⅱ、位移传感器Ⅲ、位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ，位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅳ布置在机架相互垂直的两个面上，且位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅳ均在第一测量面所在的平面；位移传感器Ⅱ和位移传感器Ⅴ布置在机架相互垂直的两个面上，位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ同轴线布置，位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ同轴线布置；且位移传感器Ⅱ和位移传感器Ⅴ均在第二测量面所在的平面；位移传感器Ⅲ布置在第三测量面下方，且垂直于第三测量面；五个传感器均通过线束与数据采集***相连。
通过在Z轴的方向上设置的第一测量面和第二测量面，保证了回转轴的轴向精度，使测量数据更加准确。通过第一测量面或第二测量面上位于X轴和Y轴的两个位移传感器就可测量出回转轴在X轴和Y轴上的位移误差，也就是可以读取位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅳ，或者是位移传感器Ⅱ和位移传感器Ⅴ；通过位移传感器Ⅲ可测量出回转轴在Z轴上的位移误差。通过测出位移误差再求出回转轴绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。此外，通过采用多个圆光栅读数头降低安装误差，在数据分析***加入误差分离算法，去除回转误差，实现回转轴定位精度的更高精度测量。
进一步的是，所述第一测量面、第二测量面和第三测量面为平面或球面中的一种。作为平面或球面的测量面而言，都可完成相应的测量；但是，球面为活面，变化曲度较大，因此误差会较大；平面的宽度和半径一致，因此误差会更小，测量精度会更高，因此两者虽然都可用于测量基准，但平面明显优于球面。
进一步的是，所述五个位移传感器均为非接触式位移传感器。本发明的测量轴随回转轴同步转动，因此非接触式位移传感器可满足本发明的运动工况。
进一步的是，所述位移传感器与机架可拆卸连接；机架上设置有安装孔和压缝，压缝一端贯穿安装孔，另一端连通到机架外部，机架上设置有朝向压缝的螺纹孔，螺纹孔内设置有螺栓；所述安装孔内壁为与位移传感器外形匹配的弧形结构。
本发明对于位移传感器的安装方式较为独特，先将位移传感器安装到尺寸略大于位移传感器的安装孔内，从而方便位移传感器的***；在安装位移传感器时，位移传感器和安装孔之间不会产生摩擦或干涉，进而损伤位移传感器；安装好位移传感器后，由于设置有压缝，因此通过螺栓在螺纹孔内旋转，进而压缩压缝，压缝宽度变窄，再压紧安装孔，从而完成位移传感器的固定。相比于现有技术的装夹方式而言，固定效果更好、安装方式更加简单，同时也不会损伤位移传感器，提高了装配精度。此外，安装孔的内壁为与位移传感器外形匹配的弧形结构，因此可使位移传感器和安装孔贴合的更加紧密，进而提高稳定性。
用于回转轴六自由度的动态测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1安装：
将运动接头机构通过安装接头与被测的回转轴同轴安装，圆光栅安装于运动接头机构的安装面上；将多读数头通过线束与数据采集***连接；机架通过螺栓与机床固连；
将位移传感器Ⅰ、位移传感器Ⅱ、位移传感器Ⅲ、位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ安装到安装孔内；
S2调整：
将五个位移传感器缩回到安装孔内，在X轴和Y轴方向移动被测的回转轴，直至其位于Z轴方向的位移传感器Ⅲ的中心位置；在Z轴方向移动被测的回转轴，使位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅳ位于第一测量面；位移传感器Ⅱ和位移传感器Ⅴ位于第二测量面；
通过数据采集***进行观察，先调整Z轴方向的位移传感器Ⅲ，使其测量值位于测量行程的中间位置；然后沿X轴方向调整被测回转轴位置，使位移传感器Ⅳ(54)测量值位于测量行程的中间位置；再沿Y轴调整被测回转轴位置，使位移传感器Ⅰ(51)测量值位于测量行程的中间位置；继续调整位移传感器Ⅱ和位移传感器Ⅴ测量值到行程中间位置；最后通过螺栓将五个位移传感器固定在机架上；
S3数据采集：
测量前对圆光栅和五个位移传感器进行调零，数据采集***将圆光栅读数头输出的信号作为位移传感器的触发信号；
将机架安装到机床上，对机床预热20～30min后开始测量，将圆光栅和五个位移传感器测得的数据进行收集；
其中圆光栅的读数头输出的信号通过不同的计数器进行分频，实现定角度数据采集；
S4数据处理：数据采集***将采集到的数据传输至数据分析***，计算出回转轴沿X、Y和Z轴的位移误差和绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。
在步骤S2中，调整每个位移传感器，使其测量值位于行程的中间位置，可更好读取和测量发生偏摆的误差；在步骤S3中，测量前先预热机床20～30min，可以有效去除温升对测量结果的影响，同时确定被测回转轴工作状态，以免出现剧烈抖动损坏测量设备；在步骤S3中，数据采集***将圆光栅读数头输出的信号作为位移传感器的触发信号，相比于现有的外部时间触发进行的数据采集，同步进行角度和位移的数据采集，并传输到数据分析***进行分析；还能准确定位回转轴位置，保证各采集点位置的高度重复性，去除回转轴速度波动对测量结果的影响，提高测量精度。
进一步的是，所述步骤S4具体为：
回转轴沿X轴的位移误差由位移传感器Ⅳ或位移传感器Ⅴ测出；
回转轴沿Y轴的位移误差由位移传感器Ⅰ或位移传感器Ⅱ测出；
回转轴沿Z轴的位移误差由位移传感器Ⅲ测出；
回转轴绕X或Y轴旋转的角度误差由沿回转轴轴向布置的一对位移传感器测得的数据进行计算，可以是采用位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ测量的数据；也可以是采用位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ测量的数据；下面以位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ测量的数据进行计算，计算公式如下：
式(1)中：
θx为绕X轴旋转的角度误差；
ΔYI(θ)为位于Y轴轴向距离回转轴近端的位移传感器Ⅰ的测量值；
ΔYII(θ)为位于Y轴轴向距离回转轴远端的位移传感器Ⅱ的测量值；
d为位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ的轴向间距。
位移传感器Ⅰ与位移传感器Ⅱ的输出值的差值除以检验装置中的两传感器间的轴向距离即为绕X轴旋转角度的正弦值，即可求出回转轴绕X轴旋转的角度误差。
式(2)中：
θy为绕Y轴旋转的角度误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴轴向距离回转轴近端的位移传感器Ⅳ的测量值；
ΔXV(θ)为位于X轴轴向距离回转轴远端的位移传感器Ⅴ的测量值；
d为位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ的轴向间距。
通过式(2)可求出回转轴绕Y轴旋转的角度误差；
回转轴绕Z轴旋转的角度误差可有圆光栅直接测量得出。
进一步的是，通过数据处理***计算出回转轴的径向误差和倾斜误差；
回转轴的径向误差计算的具体步骤为：
通过同一测量面上X轴向和Y轴向的两个位移传感器测量值生成极坐标图，并计算出回转轴的径向运动误差，计算公式如下：
r(θ)＝r0+ΔXIV(θ)cosθ+ΔYI(θ)sinθ (3)
式(3)中：
θ为回转轴的角度位置；
r(θ)为回转轴在角度位置θ处的径向运动误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴轴向的位移传感器Ⅳ的测量值
ΔY1(θ)为位于X轴轴向的位移传感器Ⅰ的测量值；
r0为第一测量面的半径值；
通过式(3)计算出回转轴在角度位置θ处的径向运动误差，选取r(θ)等分为n段，每一段为回转轴旋转一圈的径向运动误差；将所得n段测量数据相加并求平均值，即可获得被测回转轴的径向同步运动误差；将径向同步运动误差减去所得径向同步运动误差，即可获得径向异步运动误差；
回转轴的倾斜误差计算的具体步骤为：
通过沿回转轴同轴布置的两个位移传感器的测量值生成极坐标图，并计算出回转轴的倾斜运动误差，进而测量回转轴的倾斜度，计算公式如下：
式中：
θ为回转轴的角度位置；
β(θ)为回转轴在角度位置θ处的倾斜运动误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴方向的位移传感器Ⅳ的测量值；
ΔXV(θ)为位于X轴方向的位移传感器Ⅴ的测量值；
d为移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ的轴向间距；
通过式(4)计算出回转轴在角度位置θ处的倾斜运动误差，倾斜运动误差包括倾斜同步运动误差、倾斜异步运动误差，选取β(θ)等分为n段，每一段为回转轴旋转一圈的径向运动误差；将所得n段测量数据相加并求平均值，即可获得被测回转轴的径向同步运动误差；将径向同步运动误差减去所得径向同步运动误差，即可获得径向异步运动误差。
本发明不但可以测量出回转轴沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的位移误差和绕X、Y和Z轴旋转的角度误差；还可以测量出回转轴的径向误差和倾斜误差。径向误差测试对于如刀具在主轴内旋转的镗、铣、钻等工业非常实用有效。倾斜误差显示，随着工件或刀具从主轴面向远端延伸，误差源逐步增加。
本发明的有益效果是：
1、本发明在同一设备中就可完成回转轴的六自由度测量，解决了回转轴误差多平面分开测量和角度误差分开测量造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题；具有测量效率高、结构简单、安装方便等优点，同时也大大降低了检测成本。
2、相比于现有技术的装夹方式而言，本发明对于位移传感器的固定效果更好、安装方式更加简单，同时也不会损伤位移传感器，提高了装配精度；此外，安装孔的内壁为与位移传感器外形匹配的弧形结构，因此可使位移传感器和安装孔贴合的更加紧密，进而提高稳定性。
3、本发明的运动接头机构为一体成型，一方面装配精度显著提高，提高测量精度，另一方面改变结构动平衡，能实现高速测量。
4、本发明的数据采集***将圆光栅读数头输出的信号作为位移传感器的触发信号，相比于现有的外部时间触发进行的数据采集，同步进行角度和位移的数据采集，并传输到数据分析***进行分析；还能准确定位回转轴位置，保证各采集点位置的高度重复性，去除回转轴速度波动对测量结果的影响，提高测量精度。
5、本发明不但可以测量出回转轴沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的位移误差和绕X、Y和Z轴旋转的角度误差；还可以测量出回转轴的径向误差和倾斜误差。
附图说明
图1是发明的工作状态图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是运动接头机构和机架的安装示意图。
图4是机架的结构示意图。
图5是运动接头机构的结构示意图。
图6是位移传感器的布置示意图。
图7是图6的俯视图。
图8是安装孔的结构示意图。
图中标记为：
1、机床；2、机架；3、运动接头机构；6、数据采集***；7、数据分析***；8、回转轴；
21、安装孔；22、压缝；23、螺纹孔；
31、安装台；32、测量轴；33、安装接头；
41、圆光栅；42、读数头；
51、位移传感器Ⅰ；52、位移传感器Ⅱ；53、位移传感器Ⅲ；54、位移传感器Ⅳ；
310、安装面；321、第一测量面；322、第二测量面；323、第三测量面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例一：
参照图1和图2，本实施例以机床为例，动力机构为机床，被测的回转轴为机床的回转轴。本发明的回转轴六自由度的动态测量装置，包括机床1；机架2，布置机床1上，与机床1螺栓连接；运动接头机构3，布置在机架2上，用于连接回转轴8；测量机构，布置在机架2上,用于测量回转轴8的相关参数；数据采集***，与测量机构相连，对测量机构的测量数据进行采集；数据分析***，与数据采集***相连，用于对数据采集***采集到的数据进行分析；所述测量机构包括角度测量机构和位移测量机构。本发明将被测的回转轴安装到运动接头机构上，运动接头机构安装在机架上，机架再与机床进行连接，通过数据采集***采集测量机构所测的实时数据，并通过数据分析***计算出回转轴的六自由度。解决了回转轴误差多平面分开测量和角度误差分开测量造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题；本发明在一个设备中就可完成回转轴的六自由度测量，具有测量效率高、结构简单、安装方便等优点，同时也大大降低了检测成本。
参照图5，运动接头机构3包括安装台31，安装台31一端设置有测量轴32，另一端设置有用于安装回转轴8的安装接头33，安装接头33与测量轴32同轴布置；安装台31靠近测量轴33的一侧为安装面310，安装面310垂直于测量轴32；在测量轴32的轴向上间隔一定距离的布置有第一测量面321和第二测量面322，测量轴32远离安装台31的端部为第三测量面323；第一测量面321和第二测量面322相互平行，第三测量面323与第一测量面321相互垂直。测量轴和被测的回转轴同轴安装，因此通过测量轴的相关数据就可测出回转轴的相关数据。第一测量面和第二测量面用于检测回转轴在X轴和Y轴上的位移误差的基准面，第三测量面用于检测回转轴在Z轴上的位移误差。通过测出的位移误差再求出回转轴绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。本发明在X轴和Y轴的方向上设置有两个测量面，也就是第一测量面和第二测量面，相比于一个测量面而言，更能保证回转轴的垂直精度，降低安装误差，使测量数据更加准确。
参照图5，所述运动接头机构3为一体成型。相比于现有技术中安装接头与检验基准分离式的结构，本发明的运动接头机构为一体成型，一方面装配精度显著提高，提高测量精度，另一方面改变结构动平衡，能实现高速测量。
参照图4、图6和图7，所述角度测量机构包括布置在安装面310上的圆光栅41，运动接头机构3通过圆光栅41与机架2相连；机架2上设置有至少一个用于读取圆光栅41数据的读数头42，读数头42通过线束与数据采集***6相连；所述位移测量机构包括设置在机架2上的五个位移传感器，分别为位移传感器Ⅰ51、位移传感器Ⅱ52、位移传感器Ⅲ53、位移传感器Ⅳ54和位移传感器Ⅴ，位移传感器Ⅰ51和位移传感器Ⅳ54布置在机架相互垂直的两个面上，且位移传感器Ⅰ51和位移传感器Ⅳ54均在第一测量面321所在的平面；位移传感器Ⅱ52和位移传感器Ⅴ布置在机架相互垂直的两个面上，位移传感器Ⅰ51和位移传感器Ⅱ52同轴线布置，位移传感器Ⅳ54和位移传感器Ⅴ同轴线布置；且位移传感器Ⅱ52和位移传感器Ⅴ均在第二测量面322所在的平面；位移传感器Ⅲ53布置在第三测量面323下方，且垂直于第三测量面323；五个传感器均通过线束与数据采集***6相连。通过在Z轴的方向上设置的第一测量面和第二测量面，保证了回转轴的轴向精度，使测量数据更加准确。通过第一测量面或第二测量面上位于X轴和Y轴的两个位移传感器就可测量出回转轴在X轴和Y轴上的位移误差，也就是可以读取位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅳ，或者是位移传感器Ⅱ和位移传感器Ⅴ；通过位移传感器Ⅲ可测量出回转轴在Z轴上的位移误差。通过测出位移误差再求出回转轴绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。此外，通过采用多个圆光栅读数头降低安装误差，在数据分析***加入误差分离算法，去除回转误差，实现回转轴定位精度的更高精度测量。
所述第一测量面321、第二测量面322和第三测量面323为平面或球面中的一种。作为平面或球面的测量面而言，都可完成相应的测量；但是，球面为活面，变化曲度较大，因此误差会较大；平面的宽度和半径一致，因此误差会更小，测量精度会更高，因此两者虽然都可用于测量基准，但平面明显优于球面；因此本实施例优选平面。
参照图2，本实施例的五个位移传感器均为非接触式位移传感器。本发明的测量轴随回转轴同步转动，因此非接触式位移传感器可满足本发明的运动工况。
安装接头为机床主轴刀柄BT系列、SK系列或HSK系列中的一种。
实施例二：
参照图4和图8，本实施例在实施例一的基础上，位移传感器与机架2可拆卸连接；机架2上设置有安装孔21和压缝22，压缝22一端贯穿安装孔21，另一端连通到机架2的外部，机架上设置有朝向压缝的螺纹孔23，螺纹孔23内设置有螺栓；所述安装孔21的内壁为与位移传感器外形匹配的弧形结构。
本发明对于位移传感器的安装方式较为独特，先将位移传感器安装到尺寸略大于位移传感器的安装孔内，从而方便位移传感器的***；在安装位移传感器时，位移传感器和安装孔之间不会产生摩擦或干涉，进而损伤位移传感器；安装好位移传感器后，由于设置有压缝，因此通过螺栓在螺纹孔内旋转，进而压缩压缝，压缝宽度变窄，再压紧安装孔，从而完成位移传感器的固定。相比于现有技术的装夹方式而言，固定效果更好、安装方式更加简单，同时也不会损伤位移传感器，提高了装配精度。此外，安装孔的内壁为与位移传感器外形匹配的弧形结构，因此可使位移传感器和安装孔贴合的更加紧密，进而提高稳定性；
实施例三：
测量方法，用于实施例一或实施例二的回转轴六自由度的动态测量装置，包括以下步骤：
S1安装：
将运动接头机构3通过安装接头33与被测的回转轴同轴安装，圆光栅41安装于运动接头机构3的安装面上；将多读数头42通过线束与数据采集***6连接；机架2通过螺栓与机床1固连；
将位移传感器Ⅰ51、位移传感器Ⅱ52、位移传感器Ⅲ53、位移传感器Ⅳ54和位移传感器Ⅴ安装到安装孔21内；
S2调整：
将五个位移传感器缩回到安装孔21内，在X轴和Y轴方向移动被测的回转轴，直至其位于Z轴方向的位移传感器Ⅲ53的中心位置；在Z轴方向移动被测的回转轴，使位移传感器Ⅰ51和位移传感器Ⅳ54位于第一测量面321；位移传感器Ⅱ52和位移传感器Ⅴ位于第二测量面322；
通过数据采集***进行观察，先调整Z轴方向的位移传感器Ⅲ53，使其测量值位于测量行程的中间位置；然后沿X轴方向调整被测回转轴位置，使位移传感器Ⅳ(54)测量值位于测量行程的中间位置；再沿Y轴调整被测回转轴位置，使位移传感器Ⅰ(51)测量值位于测量行程的中间位置；继续调整位移传感器Ⅱ52和位移传感器Ⅴ测量值到行程中间位置；最后通过螺栓将五个位移传感器固定在机架上；
S3数据采集：
测量前对圆光栅41和五个位移传感器进行调零，数据采集***将圆光栅的读数头42输出的信号作为位移传感器的触发信号；
对机床1预热20～30min后开始测量，将圆光栅41和五个位移传感器测得的数据进行收集；
其中圆光栅的读数头输出的信号通过不同的计数器进行分频，实现定角度数据采集；
S4数据处理：数据采集***将采集到的数据传输至数据分析***，计算出回转轴沿X、Y和Z轴的位移误差和绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。
步骤S4具体为：
回转轴沿X轴的位移误差由位移传感器Ⅳ或位移传感器Ⅴ测出；
回转轴沿Y轴的位移误差由位移传感器Ⅰ或位移传感器Ⅱ测出；
回转轴沿Z轴的位移误差由位移传感器Ⅲ测出；
回转轴绕X或Y轴旋转的角度误差由沿回转轴轴向布置的一对位移传感器测得的数据进行计算，计算公式如下：
式(1)中：
θx为绕X轴旋转的角度误差；
ΔYI(θ)为位于Y轴轴向距离回转轴近端的位移传感器Ⅰ的测量值；
ΔYII(θ)为位于Y轴轴向距离回转轴远端的位移传感器Ⅱ的测量值；
d为位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ的轴向间距。
位移传感器Ⅰ与位移传感器Ⅱ的输出值的差值除以检验装置中的两传感器间的轴向距离即为绕X轴旋转角度的正弦值，即可求出回转轴绕X轴旋转的角度误差；
式(2)中：
θy为绕Y轴旋转的角度误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴轴向距离回转轴近端的位移传感器Ⅳ的测量值；
ΔXV(θ)为位于X轴轴向距离回转轴远端的位移传感器Ⅴ的测量值；
d为位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ的轴向间距。
通过式(2)可求出回转轴绕Y轴旋转的角度误差；
回转轴绕Z轴旋转的角度误差可有圆光栅直接测量得出。
本发明在同一设备中就可完成回转轴的六自由度测量，解决了回转轴误差多平面分开测量和角度误差分开测量造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题；具有测量效率高、结构简单、安装方便等优点，同时也大大降低了检测成本。
在步骤S2中，调整每个位移传感器，使其测量值位于行程的中间位置，可更好读取和测量发生偏摆的误差；在步骤S3中，测量前先预热机床20～30min，可以有效去除温升对测量结果的影响，同时确定被测回转轴工作状态，以免出现剧烈抖动损坏测量设备；在步骤S3中，数据采集***将圆光栅读数头输出的信号作为位移传感器的触发信号，相比于现有的外部时间触发进行的数据采集，同步进行角度和位移的数据采集，并传输到数据分析***进行分析；还能准确定位回转轴位置，保证各采集点位置的高度重复性，去除回转轴速度波动对测量结果的影响，提高测量精度。
实施例四：
在实施例三的基础上，本实施例通过数据处理***计算出回转轴的径向误差和倾斜误差；
回转轴的径向误差计算的具体步骤为：
通过同一测量面上X轴向和Y轴向的两个位移传感器测量值生成极坐标图，并计算出回转轴的径向运动误差，计算公式如下：
r(θ)＝r0+ΔXIV(θ)cosθ+ΔYI(θ)sinθ (3)
式(3)中：
θ为回转轴的角度位置；
r(θ)为回转轴在角度位置θ处的径向运动误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴轴向的位移传感器Ⅳ的测量值
ΔY1(θ)为位于X轴轴向的位移传感器Ⅰ的测量值；
r0为第一测量面的半径值；
通过式(3)计算出回转轴在角度位置θ处的径向运动误差，选取r(θ)等分为n段，每一段为回转轴旋转一圈的径向运动误差；将所得n段测量数据相加并求平均值，即可获得被测回转轴的径向同步运动误差；将径向同步运动误差减去所得径向同步运动误差，即可获得径向异步运动误差；
回转轴的倾斜误差计算的具体步骤为：
通过沿回转轴同轴布置的两个位移传感器的测量值生成极坐标图，并计算出回转轴的倾斜运动误差，进而测量回转轴的倾斜度，计算公式如下：
式中：
θ为回转轴的角度位置；
β(θ)为回转轴在角度位置θ处的倾斜运动误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴方向的位移传感器Ⅳ的测量值；
ΔXV(θ)为位于X轴方向的位移传感器Ⅴ的测量值；
d为移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ的轴向间距；
通过式(4)计算出回转轴在角度位置θ处的倾斜运动误差，倾斜运动误差包括倾斜同步运动误差、倾斜异步运动误差，选取β(θ)等分为n段，每一段为回转轴旋转一圈的径向运动误差；将所得n段测量数据相加并求平均值，即可获得被测回转轴的径向同步运动误差；将径向同步运动误差减去所得径向同步运动误差，即可获得径向异步运动误差。
本发明不但可以测量出回转轴沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的位移误差和绕X、Y和Z轴旋转的角度误差；还可以测量出回转轴的径向误差和倾斜误差。径向误差测试对于如刀具在主轴内旋转的镗、铣、钻等工业非常实用有效。倾斜误差显示，随着工件或刀具从主轴面向远端延伸，误差源逐步增加。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，包括：
机架(2)；
运动接头机构(3)，布置在机架(2)上，用于连接回转轴(8)；
动力机构，与机架相连，用于驱动运动接头单元转动；
测量机构，布置在机架(2)上,用于测量回转轴(8)的相关参数；
数据采集***，与测量机构相连，对测量机构的测量数据进行采集；
数据分析***，与数据采集***相连，用于对数据采集***采集到的数据进行分析；
所述测量机构包括角度测量机构和位移测量机构。
2.如权利要求1所述的回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，所述运动接头机构(3)包括安装台(31)，安装台(31)一端设置有测量轴(32)，另一端设置有用于安装回转轴(8)的安装接头(33)，安装接头(33)与测量轴(32)同轴布置；安装台(31)靠近测量轴(33)的一侧为安装面(310)，安装面(310)垂直于测量轴(32)；在测量轴(32)的轴向上间隔一定距离的布置有第一测量面(321)和第二测量面(322)，测量轴(32)远离安装台(31)的端部为第三测量面(323)；第一测量面(321)和第二测量面(322)相互平行，第三测量面(323)与第一测量面(321)相互垂直。
3.如权利要求2所述的回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，所述运动接头机构(3)为一体成型。
4.如权利要求2所述的回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，所述角度测量机构包括布置在安装面(310)上的圆光栅(41)，运动接头机构(3)通过圆光栅(41)与机架(2)相连；机架(2)上设置有至少一个用于读取圆光栅(41)数据的读数头(42)，读数头(42)通过线束与数据采集***(6)相连；
所述位移测量机构包括设置在机架(2)上的五个位移传感器，分别为位移传感器Ⅰ(51)、位移传感器Ⅱ(52)、位移传感器Ⅲ(53)、位移传感器Ⅳ(54)和位移传感器Ⅴ，位移传感器Ⅰ(51)和位移传感器Ⅳ(54)布置在机架相互垂直的两个面上，且位移传感器Ⅰ(51)和位移传感器Ⅳ(54)均在第一测量面(321)所在的平面；位移传感器Ⅱ(52)和位移传感器Ⅴ布置在机架相互垂直的两个面上，位移传感器Ⅰ(51)和位移传感器Ⅱ(52)同轴线布置，位移传感器Ⅳ(54)和位移传感器Ⅴ同轴线布置；且位移传感器Ⅱ(52)和位移传感器Ⅴ均在第二测量面(322)所在的平面；位移传感器Ⅲ(53)布置在第三测量面(323)下方，且垂直于第三测量面(323)；五个传感器均通过线束与数据采集***(6)相连。
5.如权利要求4所述的回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，所述第一测量面(321)、第二测量面(322)和第三测量面(323)为平面或球面中的一种。
6.如权利要求4所述的回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，所述五个位移传感器均为非接触式位移传感器。
7.如权利要求4所述的回转轴六自由度的动态测量装置，其特征在于，所述位移传感器与机架(2)可拆卸连接；机架(2)上设置有安装孔(21)和压缝(22)，压缝(22)一端贯穿安装孔(21)，另一端连通到机架(2)的外部，机架上设置有朝向压缝的螺纹孔(23)，螺纹孔(23)内设置有螺栓；
所述安装孔(21)的内壁为与位移传感器外形匹配的弧形结构。
8.用于权利要求4～7任意一项所述的回转轴六自由度的动态测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1安装：
将运动接头机构(3)通过安装接头(33)与被测的回转轴同轴安装，圆光栅(41)安装于运动接头机构(3)的安装面上；将多读数头(42)通过线束与数据采集***(6)连接；机架(2)通过螺栓与机床(1)固连；
将位移传感器Ⅰ(51)、位移传感器Ⅱ(52)、位移传感器Ⅲ(53)、位移传感器Ⅳ(54)和位移传感器Ⅴ安装到安装孔(21)内；
S2调整：
将五个位移传感器缩回到安装孔(21)内，在X轴和Y轴方向移动被测的回转轴，直至其位于Z轴方向的位移传感器Ⅲ(53)的中心位置；在Z轴方向移动被测的回转轴，使位移传感器Ⅰ(51)和位移传感器Ⅳ(54)位于第一测量面(321)；位移传感器Ⅱ(52)和位移传感器Ⅴ位于第二测量面(322)；
通过数据采集***进行观察，先调整Z轴方向的位移传感器Ⅲ(53)，使其测量值位于测量行程的中间位置；然后沿X轴方向调整被测回转轴位置，使位移传感器Ⅳ(54)测量值位于测量行程的中间位置；再沿Y轴调整被测回转轴位置，使位移传感器Ⅰ(51)测量值位于测量行程的中间位置；继续调整位移传感器Ⅱ(52)和位移传感器Ⅴ测量值到行程中间位置；最后通过螺栓将五个位移传感器固定在机架上；
S3数据采集：
测量前对圆光栅(41)和五个位移传感器进行调零，数据采集***将圆光栅的读数头(42)输出的信号作为位移传感器的触发信号；
对机床(1)预热20～30min后开始测量，将圆光栅(41)和五个位移传感器测得的数据进行收集；
其中圆光栅的读数头输出的信号通过不同的计数器进行分频，实现定角度数据采集；
S4数据处理：数据采集***将采集到的数据传输至数据分析***，计算出回转轴沿X、Y和Z轴的位移误差和绕X、Y和Z轴旋转的角度误差。
9.如权利要求8所述的用于回转轴六自由度的动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
回转轴沿X轴的位移误差由位移传感器Ⅳ或位移传感器Ⅴ测出；
回转轴沿Y轴的位移误差由位移传感器Ⅰ或位移传感器Ⅱ测出；
回转轴沿Z轴的位移误差由位移传感器Ⅲ测出；
回转轴绕X或Y轴旋转的角度误差由沿回转轴轴向布置的一对位移传感器测得的数据进行计算，计算公式如下：
式(1)中：
θx为绕X轴旋转的角度误差；
ΔYI(θ)为位于Y轴轴向距离回转轴近端的位移传感器Ⅰ的测量值；
ΔYII(θ)为位于Y轴轴向距离回转轴远端的位移传感器Ⅱ的测量值；
d为位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ的轴向间距。
位移传感器Ⅰ与位移传感器Ⅱ的输出值的差值除以检验装置中的两传感器间的轴向距离即为绕X轴旋转角度的正弦值，即可求出回转轴绕X轴旋转的角度误差；
式(2)中：
θy为绕Y轴旋转的角度误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴轴向距离回转轴近端的位移传感器Ⅳ的测量值；
ΔXV(θ)为位于X轴轴向距离回转轴远端的位移传感器Ⅴ的测量值；
d为位移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ的轴向间距。
通过式(2)可求出回转轴绕Y轴旋转的角度误差；
回转轴绕Z轴旋转的角度误差可有圆光栅直接测量得出。
10.如权利要求9所述的用于回转轴六自由度的动态测量装置的测量方法，其特征在于，通过数据处理***计算出回转轴的径向误差和倾斜误差；
回转轴的径向误差计算的具体步骤为：
通过同一测量面上X轴向和Y轴向的两个位移传感器测量值生成极坐标图，并计算出回转轴的径向运动误差，计算公式如下：
r(θ)＝r0+ΔXIV(θ)cosθ+ΔYI(θ)sinθ (3)
式(3)中：
θ为回转轴的角度位置；
r(θ)为回转轴在角度位置θ处的径向运动误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴轴向的位移传感器Ⅳ的测量值
ΔY1(θ)为位于X轴轴向的位移传感器Ⅰ的测量值；
r0为第一测量面的半径值；
通过式(3)计算出回转轴在角度位置θ处的径向运动误差，选取r(θ)等分为n段，每一段为回转轴旋转一圈的径向运动误差；将所得n段测量数据相加并求平均值，即可获得被测回转轴的径向同步运动误差；将径向同步运动误差减去所得径向同步运动误差，即可获得径向异步运动误差；
回转轴的倾斜误差计算的具体步骤为：
通过沿回转轴同轴布置的两个位移传感器的测量值生成极坐标图，并计算出回转轴的倾斜运动误差，进而测量回转轴的倾斜度，计算公式如下：
式中：
θ为回转轴的角度位置；
β(θ)为回转轴在角度位置θ处的倾斜运动误差；
ΔXIV(θ)为位于X轴方向的位移传感器Ⅳ的测量值；
ΔXV(θ)为位于X轴方向的位移传感器Ⅴ的测量值；
d为移传感器Ⅳ和位移传感器Ⅴ的轴向间距；
通过式(4)计算出回转轴在角度位置θ处的倾斜运动误差，倾斜运动误差包括倾斜同步运动误差、倾斜异步运动误差，选取β(θ)等分为n段，每一段为回转轴旋转一圈的径向运动误差；将所得n段测量数据相加并求平均值，即可获得被测回转轴的径向同步运动误差；将径向同步运动误差减去所得径向同步运动误差，即可获得径向异步运动误差。
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