CN116047996A - 利用测量场自动校准机床空间精度的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用测量场自动校准机床空间精度的方法及***，包括以下步骤：运动数据采集步骤：采用所组建测量场的多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；误差计算校准步骤：通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据误差对机床各运动轴几何精度进行校准。本发明公开的利用测量场自动校准机床空间精度的方法能够实现对机床末端空间位置的高精度测量，无需进行转站等中断操作。

Description

利用测量场自动校准机床空间精度的方法及***

技术领域

本发明涉及数控机床校准的技术领域，具体地，涉及一种利用测量场自动校准机床空间精度的方法和***。

背景技术

机床的直线轴移动部件共有6项误差元素，其中包括3项移动误差即一项定位误差和两项直线度误差，3项转动误差即倾斜误差、偏摆误差和俯仰误差。定位误差是指机床移动部件在轴线方向的实际位置与其理想位置的偏差。直线度误差是指机床移动部件沿坐标轴移动时偏离该轴轴线的程度。直线度误差包括X向直线度误差、Y向直线度误差和Z向直线度误差。转动误差是指机床运动部件沿某一坐标轴移动时绕其自身坐标轴或其他坐标轴旋转而产生的误差。绕其自身坐标轴旋转产生的误差称为倾斜误差；在运动平面内旋转产生的误差称为偏摆误差；在垂直于运动平面方向旋转产生的误差称为俯仰误差。

机床沿直线轴轴移动时产生的定位误差、水平和垂直直线度误差、倾斜误差、俯仰误差和偏摆误差，共计6项误差。同时，由于机床三个坐标轴XYZ相互垂直，故还存在三个垂直度误差。综上可知，三个直线轴共存在21项几何误差(包括3个定位误差、6个直线度误差、9个转角误差和3个垂直度误差)。

机床运动轴移动误差会造成机床末端刀具的空间位置产生偏差，从而引起加工误差，影响零件的加工精度，现有的闭环控制方法基本只能针对机床的单个运动轴进行控制，机床的末端误差受到各个运动轴及电主轴、液压、气动等机电***的综合影响，开环的控制方式难以保证机床末端的实际运动精度。因此，快速、可靠的测量并计算出末端刀尖点的位置，完成五轴机床末端误差的补偿，是提升机床实际加工精度的重要方式。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用测量场自动校准机床空间精度的方法和***。

根据本发明提供的一种利用测量场自动校准机床空间精度的方法，包括以下步骤：

运动数据采集步骤：采用多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；

误差计算校准步骤：通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据误差对机床刀尖点运动进行校准。

空间误差补偿步骤：通过所建立的刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，分离机床各项几何误差，并生成数控***对应补偿文件。

优选地，所述误差计算校准步骤包括：

步骤S1：建立工件坐标系与机床坐标系间各个运动部件的运动学链；

步骤S2：建立工件坐标系中机床刀尖点位置和刀轴方向在机床坐标系下各运动轴的关系模型；

步骤S3：分析机床运动轴扰动误差对机床刀尖点位置的影响关系，建立误差影响下工件坐标系中刀尖点位置与机床坐标系中各运动轴参数与误差的变换模型。

优选地，所述步骤S1包括：

根据机床机械结构，确认机床工件坐标系至机床刀具坐标系间各个运动部件的运动学链：

^WT_T＝^WT_F ^FT_X ^XT_Y ^YT_Z ^ZT_T

建立刚体绕X轴、Y轴和Z轴分别旋转角度α、β和γ，以及沿着X轴、Y轴和Z轴分别平移位移d_x、d_y和d_z的其次坐标变换矩阵：

根据刚体在空间中位姿可表示为平移、旋转变化的复合运动，即：

D＝T(Z,d_x)T(Y,d_y)T(X,d_z)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)

化简上式得到：

优选地，所述步骤S2包括：

建立工件坐标系中刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴位置关系矩阵：

^WP＝F_TW(X,Y,Z)^TP

其中，^WP代表工件坐标系下刀尖点的坐标，^TP表示机床坐标系下刀尖点的坐标，将关系矩阵变换为代数式形式，得到：

即Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖点坐标；

将上式取微分：

将微分式变换为矩阵形式：

其中，J(X,Y,Z)为雅克比矩阵，是从机床运动轴构成的向量到刀尖点位置坐标的线性转换矩阵，具体表达式为：

上式反映了机床各运动轴扰动对刀尖点空间位置的影响。这种扰动性因素，可以是瞬间的作用，引起制造***的状态的变化，即产生加工误差；也可以是持续的作用，即形成五轴前置处理。即雅克比矩阵表示不同坐标下的转换尺度。

根据本发明提供的一种利用测量场自动校准机床空间精度的***，包括以下模块：

运动数据采集模块：采用多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；

误差计算校准模块：通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据误差对机床刀尖点运动进行校准。

空间误差补偿模块：通过所建立的刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，分离机床各项几何误差，并生成数控***对应补偿文件。

优选地，所述误差计算校准模块包括：

模块M1：建立工件坐标系与机床坐标系间各个运动部件的运动学链；

模块M2：建立工件坐标系中机床刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴的关系模型；

模块M3：分析机床运动轴扰动误差对机床刀尖位姿的影响关系，建立误差影响下工件坐标系中刀尖位姿与机床坐标系中各运动轴位置之间的变换模型。

优选地，所述模块M1包括：

根据机床机械结构，确认机床工件坐标系至机床刀具坐标系间各个运动部件的运动学链：

^WT_T＝^WT_F ^FT_X ^XT_Y ^YT_Z ^ZT_T

建立刚体绕X轴、Y轴和Z轴分别旋转角度α、β和γ，以及沿着X轴、Y轴和Z轴分别平移位移d_x、d_y和d_z的其次坐标变换矩阵：

根据刚体在空间中位姿可表示为平移、旋转变化的复合运动，即：

D＝T(Z,d_x)T(Y,d_y)T(X,d_z)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)

化简上式得到：

优选地，所述模块M2包括：

建立工件坐标系中用机床坐标系下各运动轴位置关系矩阵：

^WP＝F_TW(X,Y,Z)^TP

其中，^WP代表工件坐标系下刀尖点的坐标，^TP表示机床坐标系下刀尖点的坐标，将关系矩阵变换为代数式形式，得到：

即Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖点坐标；

将上式取微分：

将微分式变换为矩阵形式：

其中，J(X,Y,Z)为雅克比矩阵，是从机床运动轴构成的向量到刀尖点位置坐标的线性转换矩阵，具体表达式为：

优选地，所述模块M3包括：

建立考虑机床几何误差时刀具坐标系与工件坐标系之间的变换关系：

得到刀尖点在工件坐标系下坐标位置偏差(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明公开的利用测量场自动校准机床空间精度的方法能够实现对机床末端空间位置的高精度测量，无需进行转站等中断操作。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明机床空间误差自动检测校准流程图；

图2为激光干涉跟踪仪测量场的误差校准方法流程图；

图3为对机床空间精度进行快速的检测与校准流程图；

图4为测量场测量机床空间误差的仪器站位与数控***接线示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种利用测量场自动校准机床空间精度的方法，本方法的设计思路为对于一维空间中质点的微分运动可表达为在某一时刻t处，单位采样时间Δt内质点的位移，即时刻t处对位移关于时间的一阶求导。进一步的，推广至刚体在空间中的微分运动，可以通过求某一时刻处，空间位姿关于时间的导数。

具体的，参照图1和图2所示，本方法包括以下步骤：

运动数据采集步骤：采用多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；

误差计算校准步骤：通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据误差对机床刀尖点运动进行校准。

空间误差补偿步骤：通过所建立的刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，分离机床各项几何误差，并生成数控***对应补偿文件。

在一种具体的实施方式中，误差计算校准步骤包括：

步骤S1：建立工件坐标系与机床坐标系间各个运动部件的运动学链。

根据机床机械结构，确认机床工件坐标系至机床刀具坐标系间各个运动部件的运动学链：

^WT_T＝^WT_F ^FT_X ^XT_Y ^YT_Z ^ZT_T

建立刚体绕X轴、Y轴和Z轴分别旋转角度α、β和γ，以及沿着X轴、Y轴和Z轴分别平移位移d_x、d_y和d_z的其次坐标变换矩阵，例如刚体绕X轴旋转角度α和沿X轴平移位移d_x的其次坐标变换矩阵为：

当上述旋转角度α很小时，有cosα≈1,sinα≈α，因此，R(X,α)可简写为：

根据刚体在空间中位姿可表示为平移、旋转变化的复合运动，即：

D＝T(Z,d_x)T(Y,d_y)T(X,d_z)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)

当旋转角度和平移位移的数值都很小时，上式右边各矩阵位置发生变化时仍然不影响计算结果。但当数值较大时需根据旋转和平移的先后关系计算复合矩阵。当旋转角度和平移位移的数值都很小时，可忽略二阶及更高阶微量，化简上式得到：

步骤S2：建立工件坐标系中机床刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴的关系模型。

为了分析机床各轴运动误差和刀尖点位置变化之间的关系，需要求出运动学变换方程的微分和导数，研究机床坐标系下机床运动轴发生微小运动时，对工件坐标系下刀尖点位置产生的影响，即研究扰动性因素对刀具路径的影响。

根据数控机床运动学变换，可以得到工件坐标系中刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴位置表示的关系如下：

^WP＝F_TW(X,Y,Z)^TP

其中，^WP代表工件坐标系下刀尖点的坐标，^TP表示机床坐标系下刀尖点的坐标，将关系矩阵变换为代数式形式，得到：

即Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖点坐标；

将上式取微分：

将微分式变换为矩阵形式：

其中，J(X,Y,Z)为雅克比矩阵，是从机床运动轴构成的向量到刀尖点位置坐标的线性转换矩阵，具体表达式为：

上式反映了机床各运动轴扰动对刀尖点空间位置的影响。这种扰动性因素，可以是瞬间的作用，引起制造***的状态的变化，即产生加工误差；也可以是持续的作用，即形成五轴前置处理。

步骤S3：分析机床运动轴扰动误差对机床刀尖点空间位置的影响关系，建立误差影响下工件坐标系中刀尖点位置与机床坐标系中各运动轴位置之间的变换模型。

建立考虑机床几何误差时刀具坐标系与工件坐标系之间的变换关系：

得到刀尖点在工件坐标系下坐标位置(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：

其物理意义表示机床按照数控指令(X,Y,Z)运行后，考虑机床几何误差，在工件坐标系中最终实际得到的刀尖点空间位置。该式具有重要的实际应用价值，例如可用于接触式测头在线测量结果的校正。接触式测头在线测量时，读取的是测头碰撞触发时机床各轴的位置，评价测量结果时通常需要在工件坐标系下进行。并且精度依赖于机床精度，机床精度越高，测量得到的结果越准确，由于机床几何误差不可避免，因此，通过该式可以消除几何误差带来的测量不确定性。

本发明还提供一种利用测量场自动校准机床空间精度的***，所述利用测量场自动校准机床空间精度的***可以通过执行所述利用测量场自动校准机床空间精度的方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述利用测量场自动校准机床空间精度的方法理解为所述利用测量场自动校准机床空间精度的***的优选实施方式。

本发明提供一种利用测量场自动校准机床空间精度的***，包括以下模块：

运动数据采集模块：采用多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；

误差计算校准模块：通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据误差对机床刀尖点运动进行校准。

空间误差补偿模块：通过所建立的刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，分离机床各项几何误差，并生成数控***对应补偿文件。

在一种优选的实施方式中，所述误差计算校准模块包括：

模块M1：建立工件坐标系与机床坐标系间各个运动部件的运动学链。

根据机床机械结构，确认机床工件坐标系至机床刀具坐标系间各个运动部件的运动学链：

^WT_T＝^WT_F ^FT_X ^XT_Y ^YT_Z ^ZT_T

建立刚体绕X轴、Y轴和Z轴分别旋转角度α、β和γ，以及沿着X轴、Y轴和Z轴分别平移位移d_x、d_y和d_z的齐次坐标变换矩阵：

根据刚体在空间中位姿可表示为平移、旋转变化的复合运动，即：

D＝T(Z,d_x)T(Y,d_y)T(X,d_z)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)

化简上式得到：

模块M2：建立工件坐标系中机床刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴的关系模型。

建立工件坐标系中刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴位置关系矩阵：

^WP＝F_TW(X,Y,Z)^TP

其中，^WP代表工件坐标系下刀尖点的坐标，^TP表示机床坐标系下刀尖点的坐标，将关系矩阵变换为代数式形式，得到：

即Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖点坐标；

将上式取微分：

将微分式变换为矩阵形式：

其中，J(X,Y,Z)为雅克比矩阵，是从机床运动轴构成的向量到刀尖点位置坐标的线性转换矩阵，具体表达式为：

上式反映了机床各运动轴扰动对刀尖点空间位置的影响。这种扰动性因素，可以是瞬间的作用，引起制造***的状态的变化，即产生加工误差；也可以是持续的作用，即形成五轴前置处理。即雅克比矩阵表示不同坐标下的转换尺度。

模块M3：分析机床运动轴扰动误差对机床刀尖位姿的影响关系，建立误差影响下工件坐标系中刀尖点空间相对位置与机床坐标系中各运动轴位置之间的变换模型。

建立考虑机床几何误差时刀具坐标系与工件坐标系之间的变换关系：

得到刀尖点在工件坐标系下坐标位置偏差(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：

本发明还提供了一种利用测量场自动校准机床空间精度流程，参照图3所示，该流程如下表所示。

在图3中，通过控制器集成空间误差的分离计算算法，根据计算分离得出的各个机床运动轴几何误差项生成数控***对应的专用补偿文件。将该补偿文件传输至数控***并激活生效，实现机床空间误差的自动化补偿与校准。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种利用测量场自动校准机床空间精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

运动数据采集步骤：采用多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；

误差计算校准步骤：建立刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据误差对机床刀尖点运动进行校准。

空间误差补偿模块：通过所建立的刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，分离机床各项几何误差，并生成数控***对应补偿文件。

2.根据权利要求1所述的利用测量场自动校准机床空间精度的方法，其特征在于：所述误差计算校准步骤包括：

步骤S1：建立工件坐标系与机床坐标系间各个运动部件的运动学链；

步骤S2：建立工件坐标系中机床刀尖点与机床坐标系中各运动轴的关系模型；

步骤S3：分析机床运动轴扰动误差对机床刀尖点位置的影响关系，建立误差影响下工件坐标系中刀尖点与机床坐标系中各运动轴参数与误差之间的变换模型。

3.根据权利要求2所述的利用测量场自动校准机床空间精度的方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

建立刚体绕X轴、Y轴和Z轴分别旋转角度α、β和γ，以及沿着X轴、Y轴和Z轴分别平移位移d_x、d_y和d_z的其次坐标变换矩阵：

根据刚体在空间中位姿可表示为平移、旋转变化的复合运动，即：

D＝T(Z,d_x)T(Y,d_y)T(X,d_z)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)

化简上式得到：

4.根据权利要求2所述的利用测量场自动校准机床空间精度的方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

建立工件坐标系中刀尖点位置与机床坐标系下各运动轴位置关系矩阵：

^WP＝F_TW(X,Y,Z)^TP

其中，^WP代表工件坐标系下刀尖点的坐标，^TP表示机床坐标系下刀尖点的坐标，将关系矩阵变换为代数式形式，得到：

即Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖点坐标；

将上式取微分：

将微分式变换为矩阵形式：

其中，J(X,Y,Z)为雅克比矩阵，是从机床运动轴构成的向量到刀尖点位置坐标的线性转换矩阵，具体表达式为：

5.根据权利要求2所述的利用测量场自动校准机床空间精度的方法，其特征在于,所述步骤S3包括：

建立考虑机床几何误差时刀具坐标系与工件坐标系之间的变换关系：

得到刀尖点在工件坐标系下坐标位置(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：

6.一种利用测量场自动校准机床空间精度的***，其特征在于，包括以下模块：

运动数据采集模块：采用多台激光干涉仪同步触发实时采集机床刀尖点运动数据；

误差计算校准模块：建立刀具工件坐标系与机床运动轴几何误差变换关系模型，通过快速冗余迭代算法计算机床刀尖点空间误差，根据计算误差对机床刀尖点运动进行校准。

7.根据权利要求6所述的利用测量场自动校准机床空间精度的方法，其特征在于：所述误差计算校准模块包括：

模块M1：建立工件坐标系与机床坐标系间各个运动部件的运动学链；

模块M2：建立工件坐标系中机床刀尖点位置在机床坐标系下各运动轴位置的关系模型；

模块M3：分析机床运动轴扰动误差对机床刀尖点空间位置的影响关系，建立误差影响下工件坐标系中刀尖点位置与机床坐标系中各运动轴位置之间的变换模型。

8.根据权利要求7所述的利用测量场自动校准机床空间精度的***，其特征在于：所述模块M1包括：

根据机床机械结构，确认机床工件坐标系至机床刀具坐标系间各个运动部件的运动学链：

^WT_T＝^WT_F ^FT_X ^XT_Y ^YT_Z ^ZT_T

建立刚体绕X轴、Y轴和Z轴分别旋转角度α、β和γ，以及沿着X轴、Y轴和Z轴分别平移位移d_x、d_y和d_z的其次坐标变换矩阵：

根据刚体在空间中位姿可表示为平移、旋转变化的复合运动，即：

D＝T(Z,d_x)T(Y,d_y)T(X,d_z)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)

化简上式得到：

9.根据权利要求7所述的利用测量场自动校准机床空间精度的***，其特征在于：所述模块M2包括：

建立工件坐标系中刀尖点位置和刀轴方向用机床坐标系下各运动轴位置关系矩阵：

^WP＝F_TW(X,Y,Z)^TP

其中，^WP代表工件坐标系下刀尖点的坐标，^TP表示机床坐标系下刀尖点的坐标，将关系矩阵变换为代数式形式，得到：

即Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖点坐标；

建立考虑机床几何误差时刀具坐标系与工件坐标系之间的变换关系：

得到刀尖点在工件坐标系下理论坐标位置(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：

将式Ψ＝f_Ψ(X,Y,Z)取微分：

将微分式变换为矩阵形式：

其中，J(X,Y,Z)为雅克比矩阵，是从机床运动轴构成的向量到刀尖点位置坐标的线性转换矩阵，具体表达式为：

10.根据权利要求7所述的利用测量场自动校准机床空间精度的***，其特征在于：所述模块M3包括：

建立考虑机床几何误差时刀具坐标系与工件坐标系之间的变换关系：

得到刀尖点在工件坐标系下坐标位置偏差(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：

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