數(shù)控機(jī)床幾何精度的位姿測(cè)量原理

李海濤,郭俊杰,鄧玉芬,王金棟,何欣榮,王興

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,614202,成都;3.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,710055,西安)

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數(shù)控機(jī)床幾何精度的位姿測(cè)量原理

李海濤1,郭俊杰1,鄧玉芬1,王金棟2,何欣榮3,王興1

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,614202,成都;3.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,710055,西安)

為了獲得數(shù)控機(jī)床全部的幾何誤差信息,根據(jù)激光跟蹤儀的三維空間測(cè)量特性,提出一種數(shù)控機(jī)床幾何精度位姿測(cè)量原理和幾何誤差分離原理。借助于一臺(tái)固定安裝于機(jī)床上的數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)和一臺(tái)激光跟蹤儀獲得機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的位姿信息,然后辨識(shí)出機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差。首先,詳細(xì)描述了位姿測(cè)量方法的基本原理,給出了平動(dòng)軸誤差測(cè)量數(shù)學(xué)模型,包括測(cè)量點(diǎn)、基點(diǎn)空間坐標(biāo)的標(biāo)定原理以及姿態(tài)偏差的獲取步驟;然后,根據(jù)解析幾何知識(shí)先后分離出3項(xiàng)轉(zhuǎn)角幾何誤差和3項(xiàng)位置幾何誤差,并綜合得出單個(gè)運(yùn)動(dòng)軸6項(xiàng)幾何誤差分離模型;最后通過數(shù)值模擬、測(cè)量實(shí)驗(yàn)以及對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該原理的可行性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)表明,采用位姿測(cè)量原理可以在2 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)3軸高速數(shù)控銑床的精度檢測(cè),并準(zhǔn)確分離出各項(xiàng)誤差。位姿測(cè)量原理具有很高的測(cè)量精度與效率,解決了基點(diǎn)標(biāo)定難題,且標(biāo)定精度更容易提高。該原理為數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)提供了一種新的思路,應(yīng)用前景廣闊。

位姿測(cè)量原理;幾何精度檢測(cè);數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái);激光跟蹤儀

制造業(yè)的高速發(fā)展和加工水平的快速提高,對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度提出了越來越高的要求。通過對(duì)機(jī)床各項(xiàng)誤差的快速檢測(cè)并補(bǔ)償是提高機(jī)床加工精度的有效手段[1]。

目前,機(jī)床幾何誤差的檢測(cè)工具和儀器很多,測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)誤差的常用檢測(cè)工具有測(cè)微儀、標(biāo)準(zhǔn)刻線尺、步距規(guī)、光學(xué)讀數(shù)顯微鏡、準(zhǔn)直儀、孔球板及雙頻激光干涉儀等,而測(cè)量回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差的常用檢測(cè)工具有高精度標(biāo)準(zhǔn)分度轉(zhuǎn)臺(tái)、高精度雙球規(guī)和平面光柵等。這些儀器的優(yōu)點(diǎn)是直接檢測(cè)精確、明了,但需要測(cè)量儀器多、耗時(shí)長、效率低下且通用性差,不能滿足機(jī)床各項(xiàng)誤差快速、高精度、全面測(cè)量的檢測(cè)要求[2-5]。

激光跟蹤儀由于其高精度及其空間跟蹤特性逐漸被應(yīng)用于機(jī)床誤差檢測(cè)領(lǐng)域[1],德國聯(lián)邦物理研究院利用激光跟蹤儀在不到2 h的時(shí)間內(nèi)即可對(duì)一臺(tái)3軸機(jī)床的誤差完成標(biāo)定,并且具有很高的檢測(cè)精度[6-7]。近年來,基于激光跟蹤儀的檢測(cè)機(jī)床的方法被大量研究,如激光跟蹤單站法,基于多邊法原理的激光跟蹤儀多站法[8],為了降低成本,Schwenke提出了基于單臺(tái)激光跟蹤儀的分時(shí)測(cè)量原理[6,9],國內(nèi)西安交通大學(xué)的王金棟、郭俊杰也對(duì)此進(jìn)行了深入的研究[10-11],并基于九線法誤差分離原理成功分離出平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸各項(xiàng)誤差,但算法和計(jì)算量較大。王金棟和林永兵都是通過機(jī)床坐標(biāo)進(jìn)行基點(diǎn)標(biāo)定,標(biāo)定過程中引入了機(jī)床本身的誤差,影響最終的測(cè)量精度[8-12]。

本文提出一種位姿測(cè)量原理,借助于數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)和一臺(tái)激光跟蹤儀,基于多站分時(shí)測(cè)量方法來檢測(cè)數(shù)控機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)時(shí)位姿信息,并提出一種新的誤差分離方法,先后分離出3項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差和3項(xiàng)位置誤差。同時(shí),還提出一種基于數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)的基點(diǎn)標(biāo)定方法,解決了標(biāo)定難題。最后,通過對(duì)位姿測(cè)量原理進(jìn)行建模、分析、仿真和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的可行性與準(zhǔn)確性。

1 位姿測(cè)量原理

激光跟蹤三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可分為單站和多站兩種。單站法測(cè)量精度由于轉(zhuǎn)角精度的限制,檢測(cè)過程中精度難以保證[13]。多站法測(cè)量僅利用激光跟蹤儀的測(cè)距信息,因此測(cè)量精度較高。為了降低成本,本文采用多站分時(shí)測(cè)量法來獲取目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)[10-11]。

圖1 數(shù)控機(jī)床單軸幾何精度位姿測(cè)量原理

本文利用單臺(tái)激光跟蹤儀獲取運(yùn)動(dòng)軸上3個(gè)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值,然后進(jìn)一步求取運(yùn)動(dòng)軸的位姿信息。圖1為數(shù)控機(jī)床單軸幾何精度位姿測(cè)量原理圖,圖2為移動(dòng)軸位姿測(cè)量原理數(shù)學(xué)模型,圖中OXYZ為數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系,O0X0Y0Z0為機(jī)床坐標(biāo)系?？刂茩C(jī)床分別沿XYZ方向進(jìn)給,并在運(yùn)動(dòng)軌跡上等間距進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。圖2中P1、P2、P3、P4為測(cè)量時(shí)激光跟蹤儀的4個(gè)基點(diǎn)位置,A0、B0、C0為靶鏡所處的3個(gè)不同位置。以測(cè)量X軸為例,當(dāng)激光跟蹤儀在P1處時(shí),測(cè)量P1與初始目標(biāo)點(diǎn)A0的距離,同理,當(dāng)A0分別運(yùn)動(dòng)至B0、C0處時(shí),分別測(cè)量P1與B0、C0的距離,然后控制機(jī)床沿X軸運(yùn)動(dòng)至下一位置,重復(fù)以上測(cè)量過程直至X軸測(cè)量完成。

圖2 移動(dòng)軸位姿測(cè)量原理數(shù)學(xué)模型

2 位姿測(cè)量算法

首先,從幾何誤差的定義出發(fā),用位姿偏差的概念重新描述了6項(xiàng)幾何誤差,理論分析了這種表示法的合理性。其次,理論描述了位姿偏差的獲取方法。最后,簡要說明了測(cè)量點(diǎn)以及基點(diǎn)空間坐標(biāo)的標(biāo)定原理與算法。

2.1 幾何誤差與位姿偏差

機(jī)床移動(dòng)部件在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)有6項(xiàng)幾何誤差元素[14],以X軸為例,如圖3所示,包括3項(xiàng)移動(dòng)誤差(位置偏差),分別為定位誤差δx(x)和兩項(xiàng)直線度誤差δy(x)與δz(x),以及3項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差(姿態(tài)偏差),分別為傾斜誤差εx(x)、俯仰誤差εy(x)和偏擺誤差εz(x)。機(jī)床移動(dòng)部件的6項(xiàng)誤差即為位置偏差與姿態(tài)偏差的綜合,因此可以用位置偏差與姿態(tài)偏差(即位姿偏差)描述6項(xiàng)誤差元素。

圖3 X軸的6項(xiàng)幾何誤差

如圖4所示,用一個(gè)空間矢量V代替機(jī)床移動(dòng)部件的姿態(tài)偏差,以X軸為例,根據(jù)3項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差的定義,εx(x)為V所在平面A1B1C2D2與XOY平面的夾角,εy(x)為V所在平面A1B2C2D1與XOY平面的夾角,εz(x)為V所在平面A1A2C2C1與XOZ平面的夾角。因此,3項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差可以表示為姿態(tài)偏差矢量V(x)=[εx(x),εy(x),εz(x)]T。3項(xiàng)移動(dòng)誤差可以表示為位置偏差矢量P(x)=[δx(x),δy(x),δz(x)]T。那么,對(duì)于X移動(dòng)軸上任一點(diǎn)誤差可以表示為

E(x)=[P(x),V(x)]T=

[δx(x),δy(x),δz(x),εx(x),εy(x),εz(x)]T

圖4 轉(zhuǎn)角誤差與姿態(tài)偏差矢量

2.2 姿態(tài)偏差的獲取

2.3 測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)標(biāo)定

通過多站分時(shí)測(cè)量的方法對(duì)固定點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)進(jìn)行求取。所謂多站分時(shí)測(cè)量,就是通過一臺(tái)激光跟蹤儀先后在不同位置對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,具體原理介紹及算法參考文獻(xiàn)[15-16]。

2.4 基點(diǎn)空間位置標(biāo)定

要獲得測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)位置,首先要確定4個(gè)基點(diǎn)的坐標(biāo)位置,即基點(diǎn)位置標(biāo)定。圖5為基點(diǎn)空間位置標(biāo)定原理圖,靶鏡中心距離回轉(zhuǎn)中心為r,每隔θ角度進(jìn)行一次測(cè)量,旋轉(zhuǎn)一定角度后,便可以獲取點(diǎn)A、B、C等點(diǎn)距離基點(diǎn)P的距離。以回轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)、以O(shè)A所在的直線為Y軸,向上方向?yàn)閅軸正方向,以過O點(diǎn)、垂直于OA的直線為X軸,向右方向?yàn)閄軸正方向,以過O點(diǎn)、垂直于XOY的直線為Z軸,依據(jù)右手螺旋法則建立標(biāo)定坐標(biāo)系。坐標(biāo)系O0X0Y0Z0為機(jī)床坐標(biāo)系。

圖5 基點(diǎn)空間位置標(biāo)定原理

設(shè)激光跟蹤儀初始距離讀數(shù)為ΔL。激光跟蹤儀所測(cè)量的點(diǎn)的距離讀數(shù)分別為L1,L2,…,Ln(n≥6),設(shè)基站P在轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為P(xp,yp,zp),按照兩點(diǎn)距離公式得到超定方程組[12]

其中xp、yp、zp、ΔL、r為未知數(shù),為了避免迭代初值的選定,采用解析的方法對(duì)上述非線性最小二乘問題進(jìn)行求解,具體求解過程參見文獻(xiàn)[12]。靶鏡始終在同一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),求解過程中zp會(huì)出現(xiàn)正負(fù)兩個(gè)解,根據(jù)所設(shè)立的坐標(biāo)系,舍去負(fù)值。

3 誤差分離算法

基于位姿測(cè)量原理的誤差分離算法,首先求取運(yùn)動(dòng)軸所處位置的位姿偏差,然后根據(jù)姿態(tài)偏差分離出3項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差和兩個(gè)逆轉(zhuǎn)角度,再通過逆轉(zhuǎn)角度值消除運(yùn)動(dòng)軸的姿態(tài)偏差,剩余的位姿偏差為位置偏差。

3.1 姿態(tài)偏差的求取

其中x為X軸的理論移動(dòng)距離,所以姿態(tài)偏差為

3.2 轉(zhuǎn)角誤差分離

根據(jù)定義可得各項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差(轉(zhuǎn)角誤差的正負(fù)按照右手螺旋準(zhǔn)則的規(guī)定)為

3.3 逆向旋轉(zhuǎn)角度求解

圖6 逆向旋轉(zhuǎn)角求解原理圖

根據(jù)幾何關(guān)系可得

ay(x)=arcan[(c(x)-k)/(a(x)-i-x)]

βz(x)=arctan[(b(x)-j)/((a(x)-i-x)2+

(c(x)-k)2)1/2]

3.4 移動(dòng)誤差分離

在機(jī)床坐標(biāo)系中,將移動(dòng)部件按照以上所求得的旋轉(zhuǎn)角度按順序逆向旋轉(zhuǎn),消除掉移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)角誤差。以點(diǎn)Ai為例,移動(dòng)部件移動(dòng)誤差為

式中:αy與βz分別代表αy(x)與βz(x)。

3.5 誤差分離數(shù)學(xué)模型

整理以上模型可得機(jī)床移動(dòng)軸X軸的6項(xiàng)幾何誤差總的數(shù)學(xué)模型

4 數(shù)值模擬

采用數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)基點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定,采用四站分時(shí)測(cè)量的方法來確定機(jī)床測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo),對(duì)基點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)定過程進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 基點(diǎn)空間位置標(biāo)定

采用精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定,解決了基點(diǎn)標(biāo)定難題,數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物如圖7所示。為了方便測(cè)量同時(shí)獲得更高的標(biāo)定精度,轉(zhuǎn)臺(tái)采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精密制造技術(shù),徑跳和端跳都小于1 μm,采用內(nèi)置電機(jī)和雷尼紹圓光柵形成位置閉環(huán),圓周定位精度和重復(fù)定位精度也優(yōu)于1 μm。

圖7 數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物圖

如圖7所示,靶鏡安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上,繞軸心每隔一定角度讀取激光跟蹤儀讀數(shù)一次,共采集至少6個(gè)點(diǎn)的激光跟蹤儀讀數(shù)。根據(jù)基點(diǎn)空間位置標(biāo)定算法進(jìn)行計(jì)算,便可以標(biāo)定出基點(diǎn)P的空間位置。

多次仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),基點(diǎn)仿真坐標(biāo)值和理論坐標(biāo)值的最大偏差量級(jí)為10-10mm,兩者幾乎相等,說明算法是可行的。

為了標(biāo)定的更加準(zhǔn)確,在數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)上會(huì)選擇多于6個(gè)的采樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,同時(shí),轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)多次,對(duì)同一位置進(jìn)行多次測(cè)量,以減小隨機(jī)誤差的影響。為了驗(yàn)證標(biāo)定算法的可靠性,對(duì)不同的采樣點(diǎn)數(shù)、不同的測(cè)量次數(shù)以及隨機(jī)誤差的分布狀況分多種工況進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如表1所示。

表1 基點(diǎn)P位置標(biāo)定偏差 mm

仿真實(shí)驗(yàn)表明:標(biāo)定出的基點(diǎn)位置與理論位置偏差量隨著隨機(jī)誤差的增大而增大;通過增加采樣點(diǎn)數(shù)和測(cè)量次數(shù)都能非常明顯地減小隨機(jī)誤差的影響,若繼續(xù)增加,影響程度會(huì)越來越小?？紤]到標(biāo)定精度和測(cè)量效率,選擇測(cè)量點(diǎn)數(shù)為9,測(cè)量次數(shù)為5。

4.2 測(cè)量點(diǎn)標(biāo)定

設(shè)機(jī)床測(cè)量點(diǎn)的理想坐標(biāo)為A(100,100,100)、B(100,500,100)、C(100,500,400)、D(300,500,400),分別從是否考慮機(jī)床隨機(jī)誤差兩個(gè)方面進(jìn)行仿真。

不考慮隨機(jī)誤差時(shí),標(biāo)定值和理想值最大偏差的數(shù)量級(jí)為10-11mm,兩者幾乎相等,說明算法是可行的。

考慮隨機(jī)誤差時(shí),假設(shè)機(jī)床隨機(jī)誤差服從N(1.5,0.7)的正態(tài)分布,標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)量點(diǎn)標(biāo)定結(jié)果 mm

各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置坐標(biāo)標(biāo)定偏差幾乎都小于3 μm,因此該算法具有一定的魯棒性。

4.3 誤差分離仿真

設(shè)機(jī)床在x=100 mm處,4個(gè)基點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)為P1(800,600,100)、P2(800,1 200,100)、P3(1 000,1 200,300)、P4(1 000,600,600)。為了驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性,設(shè)此處X軸的各項(xiàng)誤差為:定位誤差δx(x)=0.024 mm,Y向直線度誤差δy(x)=0.020 mm,Z向直線度誤差δz(x)=0.016 mm,滾轉(zhuǎn)角誤差εx(x)=2×10-5rad,俯仰角誤差εy(x)=2.4×10-5rad,偏擺角誤差εz(x)=2.8×10-5rad。下面分兩種情況進(jìn)行仿真。

(1)不考慮隨機(jī)誤差:誤差分離模型辨識(shí)出各項(xiàng)誤差與假定的各項(xiàng)誤差近乎相等,最大偏差量為δy(x)的偏差4.834 291 7×10-12mm,說明誤差分離算法是可行的。

(2)考慮機(jī)床隨機(jī)誤差:假定機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中隨機(jī)噪聲服從N(2.5,1)和N(1.5,0.7)正態(tài)分布。表3給出了兩種不同工況下幾何誤差分離的結(jié)果。

第1種工況分離出的誤差最大偏差量δy(x)為0.000 132 mm,第2種最大偏差量δz(x)為0.000 54 mm,偏差量都比較小,算法可靠性較高。在實(shí)際測(cè)量中,為了進(jìn)一步提高誤差分離精度,會(huì)通過多次測(cè)量求平均值的方法減小隨機(jī)誤差對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。

表3 X軸幾何誤差分離結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用位姿測(cè)量原理對(duì)一臺(tái)3軸高速銑床進(jìn)行精度檢測(cè),如圖8所示。4個(gè)基站在不影響測(cè)量過程的情況下應(yīng)盡量分散,同時(shí)為了方便以后數(shù)據(jù)處理,4個(gè)基站不應(yīng)設(shè)置在同一平面內(nèi)。設(shè)定銑床運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)?00 mm×500 mm×300 mm,每移動(dòng)50 mm進(jìn)行一次位姿測(cè)量。測(cè)量時(shí)機(jī)床停止運(yùn)動(dòng),讀取當(dāng)前激光跟蹤儀的讀數(shù),控制數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)120°,記錄此時(shí)激光跟蹤儀的讀數(shù),依次讀取靶鏡在3個(gè)不同位置的距離值,然后機(jī)床運(yùn)動(dòng)至下一測(cè)量位置。對(duì)于X軸,共需要測(cè)量33個(gè)點(diǎn),對(duì)于整臺(tái)機(jī)床共需要測(cè)量81個(gè)點(diǎn),因?yàn)闄C(jī)床和數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)都是數(shù)字控制,比較省時(shí),加上移動(dòng)基站的時(shí)間,完成所有測(cè)量需要2 h左右。

圖8 應(yīng)用激光跟蹤儀檢測(cè)機(jī)床精度

關(guān)于多站分時(shí)測(cè)量原理確定測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)的可行性實(shí)驗(yàn),文獻(xiàn)[16]將多站分時(shí)測(cè)量方法標(biāo)定出的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)和單站法測(cè)量出的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了測(cè)量原理的可行性。

為了驗(yàn)證誤差分離數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,將位姿法分離出的誤差和一臺(tái)激光干涉儀檢測(cè)出的誤差進(jìn)行對(duì)比。圖9所示為應(yīng)用激光干涉儀檢測(cè)3軸銑床運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位誤差,表4為兩種方法部分測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比。

圖9 應(yīng)用激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床精度

表4 兩種方法誤差測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

從表4中可以看出,兩種測(cè)量法誤差辨識(shí)結(jié)果最大偏差為2.8 μm,非常接近,說明采用位姿法進(jìn)行機(jī)床誤差測(cè)量與誤差分離的方法是準(zhǔn)確可行的。

6 結(jié) 論

(1)提出一種基于單臺(tái)激光跟蹤儀和數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量數(shù)控機(jī)床幾何精度的位姿測(cè)量原理,測(cè)量過程中只利用激光跟蹤儀測(cè)距信息,測(cè)量精度高。

(2)提出一種基點(diǎn)標(biāo)定方法,引入數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)解決了激光跟蹤儀基點(diǎn)位置標(biāo)定問題,標(biāo)定精度取決于數(shù)控精密轉(zhuǎn)臺(tái)本身的精度,與以往利用機(jī)床坐標(biāo)軸信息進(jìn)行標(biāo)定的方法相比,標(biāo)定精度更高。

(3)提出一種新的利用位姿偏差描述6項(xiàng)幾何誤差的表示方法和誤差分離方法,給出幾何誤差的逐項(xiàng)分離算法,并通過仿真驗(yàn)證了該算法的可行性。

(4)采用單臺(tái)激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)了3軸高速銑床的快速檢測(cè),并在2 h完成機(jī)床的精度標(biāo)定,分離出各項(xiàng)幾何誤差。同時(shí),利用激光干涉儀對(duì)移動(dòng)軸的定位誤差進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了位姿測(cè)量原理的可行性、準(zhǔn)確性。該方法具有快速、簡單、精度高的特點(diǎn),可以滿足中高檔數(shù)控機(jī)床幾何誤差的檢測(cè)。

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(編輯 荊樹蓉)

Pose Measuring Principle of Geometric Accuracy of Numerical Control Machine Tools

LI Haitao1,GUO Junjie1,DENG Yufen1,WANG Jindong2,HE Xinrong3,WANG Xing1

(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 614202, China; 3. Design Institute of Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

In order to obtain all geometric errors of numerical control (NC) machine tool, according to the 3D measurement characteristic of laser tracker, the pose measurement principle for geometric accuracy detection of machine tool and separation principle for geometric error are developed. By means of NC precise turntable fixed on machine tool and a laser tracker, the pose information of translational axis can be calculated, then the geometric errors are determined. First, the pose measurement principle and measurement mathematical model of linear axis are developed in details, including calibration principle of measuring points and base stations, and the acquisition procedures of pose deviation. Then, the three angular errors and three linear errors are identified successively and geometrically, and the comprehensive error identification model for single axis is determined. At last, the feasibility and veracity are verified by simulation experiment, measurement experiment and comparative experiment. Results of experiments show that the proposed method is able to complete the precision detection of a 3-axis milling machine within 2 h, and the errors are identified successfully. This measurement principle has short measurement time and high precision, and solve the calibration problem of base station with higher precision. The pose measurement principle provides a new method for machine tool error detection with an extensive application prospect.

pose measuring principle; geometric accuracy detection; numerical control precision turntable; laser tracker

2016-04-12。 作者簡介:李海濤(1987—),男,博士生;郭俊杰(通信作者),男,教授。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305370);國家科技重大專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015ZX04005001)。

時(shí)間:2016-07-18

10.7652/xjtuxb201611010

TH161.21

A

0253-987X(2016)11-0062-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160718.1013.006.html