機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備及其檢測方法,該檢測設(shè)備處理器、激光干涉儀、干涉鏡組、反射鏡組、支架以及固定平臺,固定平臺下部水平地設(shè)有滑動導(dǎo)軌,滑動導(dǎo)軌上設(shè)有垂直于滑動導(dǎo)軌且可沿滑動導(dǎo)軌滑動的Y向?qū)к?,Y向?qū)к壣显O(shè)有垂直于Y向?qū)к壡铱裳豗向?qū)к壔瑒拥腦向?qū)к?,X向?qū)к壣显O(shè)有垂直于X向?qū)к壡铱裳豖向?qū)к壔瑒拥腪向滑動平臺;固定平臺上設(shè)有第一光柵尺,X向?qū)к壣显O(shè)有第二光柵尺,Y向?qū)к壣显O(shè)有第三光柵尺,第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺均與處理器連接,反射鏡組安裝在Z向滑動平臺上。本發(fā)明測量精度高且測量速度快,可廣泛應(yīng)用于機床單軸運動的幾何誤差檢測領(lǐng)域中。
【專利說明】機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機床單軸運動的幾何誤差的檢測領(lǐng)域,特別是涉及機床單軸運動的幾 何誤差的檢測設(shè)備及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天、軍工、船舶、汽車等行業(yè)對精密零件加工的要求越來越高,機床的 精度性能顯得更加重要,提高數(shù)控機床精度的研究倍受重視。尺寸精度是決定數(shù)控機床加 工精度的最重要因素,而數(shù)控機床的幾何精度是影響尺寸精度的直接原因。對于機床單軸 運動的幾何誤差的測量是提高機床幾何精度的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),如何準確測量或辨識誤差項成為 國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。
[0003] 國內(nèi)外許多學(xué)者對數(shù)控機床單軸運動的幾何誤差檢測方法進行了較廣泛而深入 的研究,先后出現(xiàn)了 9線法,10線法,14線法,激光跟蹤法,基于激光干涉儀三坐標測量機綜 合誤差檢定,基于開普勒激光干涉儀分步對角線法等各種檢測方法。其中,九線法測量方法 簡單,快捷,應(yīng)用范圍最廣。但是,九線法受激光干涉儀的反射鏡的擺放誤差的影響,在一些 高精密測量場合,辨識精度往往達不到要求,導(dǎo)致數(shù)控機床無法有效地識別幾何誤差并進 行糾正,因而無法滿足數(shù)控機床對加工精度的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了解決上述的技術(shù)問題,本發(fā)明的目的是提供機床單軸運動的幾何誤差的檢測 設(shè)備,本發(fā)明的另一目的是提供機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備的檢測方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006] 機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備,包括處理器、激光干涉儀、干涉鏡組、反射 鏡組、用于安裝干涉鏡組的支架以及用于安裝在機床單軸上的固定平臺,所述固定平臺下 部水平地設(shè)有滑動導(dǎo)軌,所述滑動導(dǎo)軌上設(shè)有垂直于滑動導(dǎo)軌且可沿滑動導(dǎo)軌滑動的Y向 導(dǎo)軌,所述Y向?qū)к壣显O(shè)有垂直于Y向?qū)к壡铱裳豗向?qū)к壔瑒拥腦向?qū)к?,所述X向?qū)к?上設(shè)有垂直于X向?qū)к壡铱裳豖向?qū)к壔瑒拥腪向滑動平臺;
[0007] 所述固定平臺上設(shè)有第一光柵尺,所述Y向?qū)к壣显O(shè)有第二光柵尺,所述X向?qū)к?上設(shè)有第三光柵尺,所述第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺均與處理器連接,所述反射 鏡組安裝在Z向滑動平臺上;
[0008] 所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被干涉鏡組一分為二,其中一部分光束通過干涉鏡 組后照射到反射鏡組上并被反射鏡組反射回干涉鏡組后從干涉鏡組透射返回到激光干涉 儀,另一部分光束直接經(jīng)干涉鏡組反射后返回到激光干涉儀。
[0009] 進一步,所述干涉鏡組包括分束器、第一反射鏡和第二反射鏡,所述反射鏡組包括 第三反射鏡和第四反射鏡,所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被分束器一分為二,其中一部分 光束通過分束器后照射到第三反射鏡上并依次經(jīng)第三反射鏡和第四反射鏡反射后返回分 束器并透射返回到激光干涉儀,另一部分光束依次經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡反射后返回 分束器并透射返回到激光干涉儀。
[0010] 進一步,所述X向?qū)к壍膫?cè)面設(shè)有限位機構(gòu)。
[0011] 進一步,所述滑動導(dǎo)軌的數(shù)量為兩個,該兩個滑動導(dǎo)軌平行地設(shè)置。
[0012] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是:
[0013] 采用所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備的檢測方法,包括:
[0014] Sl、以滑動導(dǎo)軌所在方向為X軸,X向?qū)к壦诜较驗閅軸,Y向?qū)к壦诜较驗閆 軸,建立空間坐標系后,選定空間坐標系的原點后,驅(qū)動機床單軸沿Y軸方向運動;
[0015] S2、通過調(diào)節(jié)X向?qū)к?、Y向?qū)к壓蚙向滑動平臺使得反射鏡組位于三個不同位置, 同時在每個位置均驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿X軸作直線運動,在運動過程中采 用激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵 尺采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù);
[0016] S3、根據(jù)第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集的反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù), 計算位置誤差敏感度矩陣,進而獲得位置誤差敏感度矩陣的最小值對應(yīng)的三個測量點處反 射鏡組的實時位置數(shù)據(jù)后,結(jié)合激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù)計算獲得機床單 軸運動的六項幾何誤差。
[0017] 進一步,所述步驟S2,包括:
[0018] S21、沿線1進行測量:將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍囊粋?cè),同時將Z向滑動平臺調(diào) 節(jié)到Y(jié)向?qū)к壍淖畹忘c,維持反射鏡組在Y、Z軸方向不動,驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡 組沿X軸作直線運動,整個過程中采用激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用 第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù);
[0019] S22、沿線2進行測量:將Z向滑動平臺調(diào)節(jié)到Y(jié)向?qū)к壍淖罡唿c后,繼續(xù)維持反射 鏡組在Υ、Ζ軸方向不動,驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿X軸作直線運動,整個過程中 采用激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光 柵尺采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù);
[0020] S23、沿線3進行測量:將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍牧硪粋?cè)后,繼續(xù)維持反射鏡組 在Υ、Ζ軸方向不動,驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿X軸作直線運動,整個過程中采用 激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺 采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù)。
[0021] 進一步,所述步驟S3,包括:
[0022] S31、在線1、線2及線3上各選擇任一測量點后獲取其對應(yīng)的反射鏡組的實時位置 數(shù)據(jù),進而按照下式求解位置誤差敏感度矩陣:
[0023]
【權(quán)利要求】
1. 機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備,其特征在于,包括處理器、激光干涉儀、干涉 鏡組、反射鏡組、用于安裝干涉鏡組的支架以及用于安裝在機床單軸上的固定平臺,所述固 定平臺下部水平地設(shè)有滑動導(dǎo)軌,所述滑動導(dǎo)軌上設(shè)有垂直于滑動導(dǎo)軌且可沿滑動導(dǎo)軌滑 動的Y向?qū)к?,所述Y向?qū)к壣显O(shè)有垂直于Y向?qū)к壡铱裳豗向?qū)к壔瑒拥腦向?qū)к?,所?X向?qū)к壣显O(shè)有垂直于X向?qū)к壡铱裳豖向?qū)к壔瑒拥腪向滑動平臺; 所述固定平臺上設(shè)有第一光柵尺,所述Y向?qū)к壣显O(shè)有第二光柵尺,所述X向?qū)к壣显O(shè) 有第三光柵尺,所述第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺均與處理器連接,所述反射鏡組 安裝在Z向滑動平臺上; 所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被干涉鏡組一分為二,其中一部分光束通過干涉鏡組后 照射到反射鏡組上并被反射鏡組反射回干涉鏡組后從干涉鏡組透射返回到激光干涉儀,另 一部分光束直接經(jīng)干涉鏡組反射后返回到激光干涉儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備,其特征在于,所述干 涉鏡組包括分束器、第一反射鏡和第二反射鏡,所述反射鏡組包括第三反射鏡和第四反射 鏡,所述激光干涉儀發(fā)出的激光束被分束器一分為二,其中一部分光束通過分束器后照射 到第三反射鏡上并依次經(jīng)第三反射鏡和第四反射鏡反射后返回分束器并透射返回到激光 干涉儀,另一部分光束依次經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡反射后返回分束器并透射返回到激 光干涉儀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備,其特征在于,所述X向 導(dǎo)軌的側(cè)面設(shè)有限位機構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備,其特征在于,所述滑 動導(dǎo)軌的數(shù)量為兩個,該兩個滑動導(dǎo)軌平行地設(shè)置。
5. 采用權(quán)利要求1-4中任一項所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備的檢測方 法,其特征在于,包括: 51、 以滑動導(dǎo)軌所在方向為X軸,X向?qū)к壦诜较驗閅軸,Y向?qū)к壦诜较驗閆軸, 建立空間坐標系后,選定空間坐標系的原點后,驅(qū)動機床單軸沿Y軸方向運動; 52、 通過調(diào)節(jié)X向?qū)к?、Y向?qū)к壓蚙向滑動平臺使得反射鏡組位于三個不同位置,同 時在每個位置均驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿X軸作直線運動,在運動過程中采用 激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺 采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù); 53、 根據(jù)第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集的反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù),計算 位置誤差敏感度矩陣,進而獲得位置誤差敏感度矩陣的最小值對應(yīng)的三個測量點處反射鏡 組的實時位置數(shù)據(jù)后,結(jié)合激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù)計算獲得機床單軸運 動的六項幾何誤差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備的檢測方法,其特征在 于,所述步驟S2,包括: S21、沿線1進行測量:將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍囊粋?cè),同時將Z向滑動平臺調(diào)節(jié)到 Y向?qū)к壍淖畹忘c,維持反射鏡組在Y、Z軸方向不動,驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿 X軸作直線運動,整個過程中采用激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光 柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù); 522、 沿線2進行測量:將Z向滑動平臺調(diào)節(jié)到Y(jié)向?qū)к壍淖罡唿c后,繼續(xù)維持反射鏡組 在Y、Z軸方向不動,驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿X軸作直線運動,整個過程中采用 激光干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺 采集反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù); 523、 沿線3進行測量:將Y向?qū)к壵{(diào)節(jié)到X向?qū)к壍牧硪粋?cè)后,繼續(xù)維持反射鏡組在Υ、 Z軸方向不動,驅(qū)動機床沿X軸移動使得反射鏡組沿X軸作直線運動,整個過程中采用激光 干涉儀采集機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù),并采用第一光柵尺、第二光柵尺及第三光柵尺采集 反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機床單軸運動的幾何誤差的檢測設(shè)備的檢測方法,其特征在 于,所述步驟S3,包括: 531、 在線1、線2及線3上各選擇任一測量點后獲取其對應(yīng)的反射鏡組的實時位置數(shù) 據(jù),進而按照下式求解位置誤差敏感度矩陣:
上式中,
^ (X11Y11Z1), (X21Y21Z2), (X3, Y3, Z3)依次為反射鏡組在所選擇的線1、線2及線3的測量點上的實時位置數(shù)據(jù); 532、 重復(fù)執(zhí)行步驟S31直到執(zhí)行預(yù)設(shè)迭代計算次數(shù)后,獲取位置誤差敏感度矩陣的最 小值,進而獲得其對應(yīng)的線1、線2及線3的測量點處反射鏡組的實時位置數(shù)據(jù)后,代入下式 計算機床單軸運動的六項幾何誤差: {八⑴} = [Εχ]{δχ} 上式中,{Λ (X)} = [Ax1W AyJX) AzJX) AxJX) Ay2⑴ Ax3⑴]τ,{δχ} = [δχ(Χ) δ γ (X) δ ζ (X) ε χ (X) ε γ (X) ε ζ (X) ]τ,Ex 的表達式如下:
其中,Ax1(X)、Ay1(X)及Az1(X)依次表示激光干涉儀采集的線1的機床單軸的實時 誤差數(shù)據(jù)中的X軸數(shù)據(jù)、Y軸數(shù)據(jù)及Z軸數(shù)據(jù),Λ x2 (X)及Λ y2 (X)分別表示激光干涉儀采 集的線2的機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù)中的X軸數(shù)據(jù)及Y軸數(shù)據(jù),Ax3(X)表示激光干涉儀采 集的線3的機床單軸的實時誤差數(shù)據(jù)中的X軸數(shù)據(jù); δ χ(Χ)、δ γ(Χ)、δ Ζ(Χ)、ε χ(χ)、ε γ(χ)及ε ζ(χ)分別表示機床單軸運動的六項幾何誤 差,其中Sx(X)表示機床沿X軸運動時在X軸方向的定位誤差,δγ(Χ)表示機床沿X軸運 動時在Y軸方向的位移誤差,S z(X)表示機床沿X軸運動時在Z軸方向的位移誤差,εχ(χ) 表示機床沿X軸運動時在X軸方向的滾擺誤差,ε γ(χ)表示機床沿X軸運動時在Y軸方向 的扭擺誤差,εζ(χ)表示機床沿X軸運動時在Z軸方向的旋轉(zhuǎn)誤差。
【文檔編號】G01B11/00GK104390586SQ201410636193
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】彭偉超, 王素娟, 陳新度, 夏鴻建, 歐陽祥波, 王晗, 李克天, 劉強 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)