專利名稱：三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機械檢測技術領域的方法，具體是一種三軸數(shù)控裝備的幾何 運動誤差的檢測方法。
背景技術：
三軸數(shù)控裝備(包括三軸數(shù)控加工中心、三坐標測量機等)的幾何運動精度是評 價其性能的一項重要指標，它直接影響工件的加工(或者檢測)精度、使用壽命和生產(chǎn)成 本。提高三軸數(shù)控裝備的幾何運動精度是機械制造業(yè)的發(fā)展要求，而運動精度的高低是用 運動誤差的大小度量的，因此，運動誤差的測量是數(shù)控裝備制造維修中的關鍵技術。設備制 造商可用機床或者坐標測量機的幾何精度檢測結果確定提高機床或者坐標測量機的精度 設計是否有效。通過測量可以幫助他們優(yōu)化影響數(shù)控裝備精度的控制環(huán)工作參數(shù)。數(shù)控裝 備用戶可用測量系統(tǒng)進行數(shù)控裝備驗收測試和數(shù)控裝備周期測定。三軸數(shù)控裝備誤差通常包括三類誤差幾何運動誤差、熱誤差以及切削力誤差，其 中幾何誤差為機床誤差的主要部分。通常三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差含有21項誤差分 量。三軸數(shù)控裝備各項誤差的建模與辨識是三軸數(shù)控裝備誤差檢測的關鍵環(huán)節(jié)，模型的形 式和辨識準確性直接影響誤差檢測的精確程度。機床常規(guī)檢測和驗收測試基本上只限于機 床無負載時的幾何結構，對三軸數(shù)控裝備只限于測量位置處的精度。對于三軸數(shù)控裝備而 言，如何設計合適的測量方案，并從各項測量位置處所檢誤差中反求、辨識出三軸數(shù)控裝備 的上述21項單項誤差分量，是三軸數(shù)控裝備幾何運動誤差檢測及誤差溯源的關鍵所在。經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國申請?zhí)?01136635. 4，申請公告號 CN1346964記載了一種“用于空間全位置和姿態(tài)的測量方法及其裝置”，該技術公開了一種 利用專用大尺寸球桿儀測量空間運動剛體(即運動坐標系)上的三個固定點相對于某固定 坐標系中的三個定點的距離，得到兩者之間3X3共9個中心距的長度數(shù)值；再從該球桿儀 上的數(shù)顯表或與該球桿儀相連接的計算機上讀出上述9個中心距的長度數(shù)值，根據(jù)該9個 長度參數(shù)列出9個非線性方程組，并采用詹重禧法解析該9個非線性方程組，即可求得上述 待量測的物體的空間位置和姿態(tài)。但是該技術存在以下不足由于鋼球和磁性凹座之間的 摩擦造成在進給速度高于lOm/min時所測機床運動精度不穩(wěn)定；僅能沿圓形插補半徑方向 進行測量；由于伸縮桿自重產(chǎn)生變形等原因，其綜合測量精度難以達到微米級；采用最小 二乘法來辨識各誤差分量，但由于矩陣非滿秩，使得解不唯一。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國申請?zhí)?00710049397. 3，申請公告號CN101096073記載了
一種“用激光干涉法測量三軸數(shù)控裝備圓軌跡的方法”，該技術公開了一種利用激光干涉法 測量三軸數(shù)控裝備圓軌跡，從而進行三軸數(shù)控裝備的精度檢測的方法。該方法的測量原理 是位于三軸數(shù)控裝備工作臺上的直角坐標機構將三軸數(shù)控裝備工作臺與主軸的相對圓運 動分解為X、Y兩個方向的分量，用激光干涉儀測量出這兩個分量值或它們的差值，根據(jù)測 量值計算出圓運動的實際軌跡。但是該技術存在的問題是安裝及對光過程麻煩，對測量精 度有影響；激光強度易受周圍環(huán)境影響；測量周期長，測量效率低；同樣存在采用最小二乘法來辨識各誤差分量，但由于矩陣非滿秩，使得解不唯一的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的 檢測方法，利用平面光柵既可以測量三軸數(shù)控裝備的直線運動誤差，又可以測量圓運動誤 差的特點，首先分離出X導軌、Y導軌和Z導軌的直線度誤差、位置誤差和三根導軌之間的 垂直度誤差共12項誤差分量，然后再分離三根導軌的9項轉角誤差分量。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步，以工作平臺水平左右滑動的方向為y軸、水平垂直y軸的前后方向為X 軸、以工作臺臺面中心為原點，豎直垂直χ軸和y軸的方向為ζ軸，根據(jù)右手定則來建立XYZ 直角坐標系，利用平面正交光柵測量系統(tǒng)對三軸數(shù)控設備進行測量處理，分別得到三軸數(shù) 控裝備XOY平面、YOZ平面和XOZ平面的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)SxY(X)和sXY(y)、sYZ(y)和 Syz(Z)、sYZ(y)和Sxz(Z)，以及繞XOY平面、YOZ平面和繞XOZ平面內(nèi)原點的圓軌跡運動誤差
數(shù)據(jù) Ex0Y Λ Ey0z Λ Εχ0ΖΟ其中SxY(X)和sXY(y)分別指XOY平面內(nèi)沿著X方向和Y方向的直線軌跡運動誤 差數(shù)據(jù)；sYZ(y)和Syz(Z)分別指YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)； Sxz(X)和Sxz(Z)分別指XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；Exot、Etoz、 Exoz分別指XOY平面、YOZ平面、XOZ平面內(nèi)以一定半徑R作平面圓軌跡運動時所得實際圓 軌跡點坐標和理論圓軌跡點坐標之間的徑向誤差坐標矢量數(shù)據(jù)。所述的平面正交光柵測量系統(tǒng)，包括平面檢測光柵讀數(shù)頭、IK220數(shù)據(jù)采集卡、 數(shù)據(jù)處理模塊、Φ20的刀柄、固定裝置和三軸數(shù)控裝備，其中平面檢測光柵讀數(shù)頭和 IK220數(shù)據(jù)采集卡相連傳輸測量數(shù)據(jù)，IK220數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理模塊相連傳輸測量數(shù) 據(jù)以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)辨識和顯示，平面檢測光柵讀數(shù)頭安裝在刀柄以便于固定在三軸數(shù)控裝 備，平面檢測光柵碼盤固定在固定裝置上。所述的測量處理，包括以下步驟1)將平面檢測光柵碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的XOY平面，在KGM自由 曲線測試狀態(tài)下，令讀數(shù)頭沿x、Y方向各往返測量若干次，分別得到XOY平面內(nèi)沿著X方向 和Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；在KGM圓軌跡測量狀態(tài)下，令讀數(shù)頭以XOY平面內(nèi)平面 檢測光柵碼盤安裝中心坐標點為圓心，以R為半徑沿圓軌跡運動若干次，得到XOY平面內(nèi)圓 軌跡運動誤差數(shù)據(jù)。其中，R的取值范圍是30mm 70mm。2)分別將平面檢測光柵碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的XOZ平面和YOZ平 面內(nèi)，測量得到XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)、XOZ平面內(nèi)圓軌 跡運動誤差數(shù)據(jù)，以及YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)、YOZ平面 內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)。第二步，通過直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法對原點的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Exot、 Eyoz, Exoz進行辨識，分別得到三軸數(shù)控設備X軸的位置誤差δ xX，Y軸的位置誤差δ yY，Z軸 的位置誤差Szz，X軸在Y方向上的直線度誤差Syx，Y軸在X方向上的直線度誤差δχΥ，X 軸在Z方向上的直線度誤差δ ζΧ，Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ，Y軸在Z方向上的直 線度誤差Szy，Z軸在Y方向上的直線度誤差Syz，X軸與Y軸之間的垂直度誤差Exy，Y軸與Z軸之間的垂直度誤差￡yz，和X
NδχΧ =^ikxxnXXn)
η 二1軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ，其中~=i>>> X^)，kxm、kyyn、kzzj1^X
η 二1
軸、Y軸、
_7] Szz=Yd(KzXZn)
η二1Syx=^ikyxn ΧΧη)δ^=Σ(Κπ XX")
η=\η=\Z 軸伸縮的第 η 階分量的系數(shù)，^v =Td(KnXyn)Szy = h X/), kyxn，kzxn 為 X
n=\n=\δχζ = ΣWvz = Jjkyzn ΧΖ")
η=\η=\導軌在Y軸和Z軸方向上直線度誤差的第η階分量的系數(shù)；kxyn，kzyn為Y導軌在X 軸和ζ軸方向上直線度誤差的第η階分量的系數(shù)；kxzn，kyzn為Z導軌在X軸和Y軸方向上直 線度誤差的第η階分量的系數(shù)。一般η取值為3，即各項誤差各自辨識前3階誤差分量的系
ε =b
數(shù)，=byz,hYX為X導軌和Y導軌垂直度誤差分量的系數(shù)；byz為Z導軌和Y導軌垂直度誤
Exz = bxz
差分量的系數(shù)；bxz為X導軌和Z導軌垂直度誤差分量的系數(shù)。所述的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Sxy(X)和沿著Y方向的 直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)sXY(y)，利用最小二乘擬合方法分別得到X方向的直線軌跡運動誤 差數(shù)據(jù)所包含的直線Trend (χ) = ^db1和沿著Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)所包含的 趨勢直線Trend(y) = a2y+b2，其中 、Id1和a2、b2為通過最小二乘擬合求出的趨勢直線的 參數(shù)；X軸與Y軸之間的垂直度誤差ε xy，具體是ε xy = π /2-β2+&1 ；X軸在Y方向上的直線度誤差Syx，具體是Syx= SxY(x)-alX;Y軸在X方向上的直線度誤差δχγ，具體是δχγ= SxY(y)-a2y ；Y軸的位置誤差SyY，具體是SyY = AVg_SX-YQ，其中Avg_Sx是Syx的平均值，Y。 是待檢測點的縱坐標；X軸的位置誤差δχΧ，具體是SxX = Avg_Sy-XQ，其中Avg_Sy是δχΥ的平均值，Xtl 是待檢測點的橫坐標；2)提取XOZ平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Sxz(X)和沿著Z方向的直 線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)sxz(z)，得到Z軸的位置誤差δ ζΖ、Χ軸在Z方向上的直線度誤差δζχ、 Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ ；提取YOZ平面內(nèi)沿著Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)sYZ (Y)和沿著Z方向的直線 軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Syz(Z)，得到Y軸在Z方向上的直線度誤差δ zY、Z軸在Y方向上的直線度誤差Syz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差ε Ζ。第三步，通過圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法對原點的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Exot、 EY0Z,EX0Z進行辨識，得到X、Y、Z三個軸的9項轉動性轉角誤差，具體分為X軸的滾轉誤差(亦 稱滾角誤差)εχ(Χ)、俯仰誤差ε Υ(Χ)和偏擺誤差εζ(Χ)，Υ軸的滾轉誤差￡Y(y)、俯仰誤差 ￡z(y)和偏擺誤差￡x(y)，Z軸的滾轉誤差εζ(ζ)、俯仰誤差εχ(ζ)和偏擺誤差εγ(ζ),
NNNεχ(χ) = ^iaxxn χχη)εγ(χ) =χχη)εζ(χ) = ^(a^ xxn)
n=\n=\n=\
NNN￡x{y) = T^iaxyn Χ/) ω = Σ(Ω), χ/)Α(3θ = Σ( X/)，axxn、ayxn、azxn
n=\n=\n=\
NNN￡x(z) = T^iaxznX zn)￡Yiz) =χζ")￡ζ(ζ) =
η=\η=\η=\分別為X導軌的側滾誤差、俯仰誤差和偏轉誤差的第η階分量的系數(shù)；axyn、ayyn、 azyn分別為Y導軌的俯仰誤差、側滾誤差和偏轉誤差的第η階分量的系數(shù)；axzn、ayzn、azzn分 別為Z導軌的俯仰誤差、偏轉誤差和側滾誤差的第η階分量的系數(shù)。一般η取值為3，即各 項轉角誤差各自辨識前3階誤差分量的系數(shù)。所述的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控裝備XOY平面內(nèi)作圓 運動的徑向誤差坐標矢量Exot與各誤差分量Pxot的對應關系(即對應的測量方程)-.Exoy = ΟχογΧΡχογ，其中Exoy =E1= [AR(O) + kx>、y2 cos θ + k^ y3 cos θ - kxx< χ cos θ + k 外 χ1 sin θ + ky%x3 sin θ_ kyy> γ ηθ + xbxy sin Θ]為在各個測量位置處的徑向誤差組成的列向量，式中θ、x、y分別為XOY平面內(nèi)測 量數(shù)據(jù)各點對應的角度值、以及測量平面內(nèi)的x、y坐標值，θ )為XOY平面內(nèi)圓軌跡以 R半徑運動時的徑向誤差分量。Qxoy = Q1 =
為系數(shù)擬合矩陣，其中0Β。Ζ為刀尖點在主軸坐標系中的Z軸坐標值。Pxoy =Pi= [am, am, αχν, , αζ}, , , αζ>, , αζΧ{, α^, α 巧,αΧ}, , αχ>、_, α 明]Γ 為 X 軸的偏擺誤差 εζ(χ)、Y軸的滾轉誤差￡Y(y)、Y軸的俯仰誤差ε z(y)，和Y軸的偏擺誤差￡x(y)等幾何 誤差分量的多項式系數(shù)矩陣。上述式中byx為X軸與Y軸之間的垂直度誤差分量Sxy的系數(shù)，exy= ε yx = byx ； byz為Z軸與Y軸之間的垂直度誤差分量￡yz的系數(shù)，￡yz= ￡zy = byz;bxz為X軸與Z軸之 間的垂直度誤差分量ε χζ的系數(shù)，ε χζ = ε ζχ = bxz。利用最小二乘法擬合得到P1 = (Q1tXQ1F1XQ1tXE1，從而得到Y軸的滾轉誤差 εγω、Υ軸的俯仰誤差￡z(y)、Y軸的偏擺誤差εχω和X軸的偏擺誤差ε ζ (χ)等轉角性 誤差多項式的1-3各階系數(shù)ayyn、azyn、axyn和azxn，η = 1、2、3)。2)提取XOZ平面內(nèi)的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控設備XOZ平面內(nèi)的誤差 坐標矢量與測量點坐標對應的測量方程Exqz = QxqzXPxqz,其中
9
Pxoz = [ayQxoz = [-x2sin θ -xzcos θ , -x3sin θ -x2zcos θ , -x4sin θ -x3zcos θ , -Lzcos θ , -L Z2Cos θ , -Lz3COS θ ]
Exoz = [AR(B) - δχ(χ) cos θ - ζφζχ cos θ - δ, (ζ) sin θ + δζ (χ) sin θ]其中θ、χ、ζ分別為XOZ平面內(nèi)測量數(shù)據(jù)各點對應的角度值、以及測量平面內(nèi)的 x/z坐標值。L為刀柄的長度(或者為測量接桿長度)，Δ R(e)為XOZ平面內(nèi)圓軌跡以R 半徑運動時的徑向誤差分量，S為前述各項移動性誤差分量，根據(jù)上式做最小二乘擬合得 到Pxoz = (QTxoz X Qxoz) < X Exo/ X Exoz，從而擬合、分離辨識出X軸的俯仰誤差ε Y (X)和Z軸的 偏擺誤差ε Υ(Ζ)等轉角性誤差多項式的1-3各階系數(shù)azyn、ayxn，η = 1、2、3)。 3)提取YOZ平面內(nèi)的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控設備YOZ平面內(nèi)的誤差 坐標矢量與測量點坐標對應的測量方程Etoz = QtozXPtoz，其中Pyoz = [ax
zl' axz2' axz3' axxl' axx2' axx3' ζζ1' azz2' azz3」Qyoz = [Lzcos θ , Lz2Cos θ , Lz3Sin θ , zxcos θ +yc sin θ , zx2cos θ +yx2sin θ , ζχ 3Cos θ +yz3sin θ , -CZCOS θ , -cz2cos θ , -cz3cos θ ]
Eyoz =-[(ζ + Obcz )￡x(y) + χε,(χ) + Sy (ζ) + Sy(y) - z￡y(z) - c^Jcos θ
-y￡x(y) sin θ + c￡y (χ) sin θ-δ, (ζ) sin θ+ δ, (χ) sin + sin θ]其中χ為定值，θ、y、ζ分別為YOZ平面內(nèi)測量數(shù)據(jù)各點對應的角度值、以及 測量平面內(nèi)的y/z坐標值，L為刀柄的長度(或者為測量接桿長度)；AR(e)為YOZ 平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運動時的徑向誤差分量。根據(jù)上式做最小二乘擬合得到Ptoz = (QtyozXQyoz)-1XEyoztXEyoz,從而擬合、分離辨識擬合可得到Z軸的俯仰誤差ε χ(ζ)、滾轉誤 差εζ(ζ)和X軸俯仰誤差εζ(χ)的轉角誤差多項式的各級系數(shù)axzn、azzn和azxn，η = 1、2、 3)。至此，所有三軸數(shù)控裝備的21項幾何運動誤差全都檢測完畢。本發(fā)明所涉及的一種檢測方法廣泛適用于各種三軸數(shù)控裝備幾何運動綜合誤差 的檢測，包括各種立式、臥式3軸數(shù)控加工中心以及各種形式三軸坐標測量機的幾何運動 誤差檢測。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是對一般的三軸數(shù)控裝備，以平面光柵為測 量工具，使用分步誤差分量辨識方法，可成功地辨識出該加工中心21項誤差分量的各階多 項式系數(shù)。該檢測方法的特點是檢測方法簡便快速，測量精度高，采用非接觸式測量使得 測量靈活，對測量時的相對運動速度約束較小。整個測量過程在1-2小時內(nèi)可以完成，同激 光干涉儀等傳統(tǒng)方法的1-2天相比，效率得到很大提高。同時，該發(fā)明很好地解決了傳統(tǒng)的 雙球規(guī)等測量及辨識方法中由于測量辨識矩陣可能不滿秩而導致準確解難以確定的問題。
圖1為實施例裝置示意圖。圖2為檢測對象——立式三軸數(shù)控裝備示意圖。其中1為主軸箱，2為主軸，3為工作臺，4為滑臺。圖3為XOY平面定位誤差、直線度誤差和垂直度誤差的檢測路徑示意圖。測頭在 A、B之間沿直線往返測量5次。圖4為XOY平面圓運動檢測路徑示意圖。圖5為XOY平面定位誤差、直線度誤差和垂直度誤差的辨識方法示意圖。圖6為檢測裝置安裝示意圖。圖(a)、(b)、(c)中所示分別為XOY平面、XOZ平面 和YOZ平面。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例涉及的基于平面光柵的三軸數(shù)控裝備運動誤差的分步辨識 系統(tǒng)，包括平面檢測光柵(碼盤及讀數(shù)頭)1，IK220數(shù)據(jù)采集卡2，數(shù)據(jù)處理模塊3，Φ 20 的刀柄4，固定裝置5和三軸數(shù)控裝備6，其中平面檢測光柵讀數(shù)頭1和ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡 2相連傳輸測量數(shù)據(jù)，ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡2與數(shù)據(jù)處理模塊3相連傳輸測量數(shù)據(jù)以實現(xiàn)測量 數(shù)據(jù)辨識和顯示，平面檢測光柵讀數(shù)頭1安裝在刀柄4以便于固定在三軸數(shù)控裝備6，平面 檢測光柵碼盤1固定在固定裝置5上。所述的平面檢測光柵(碼盤及讀數(shù)頭)1是HEIDENHAIN公司生產(chǎn)的KGM182圓光柵。本實施例涉及的上述基于平面光柵的三軸數(shù)控裝備運動誤差的分步檢測與辨識 方法，包括以下步驟第一步，利用平面正交光柵測量系統(tǒng)進行測量處理，得到三軸數(shù)控裝備三個相互 垂直的平面(Χ0Υ平面、YOZ平面和XOZ平面)每個平面內(nèi)的兩個相互垂直的直線軌跡運功 誤差數(shù)據(jù)和繞各個平面(Χ0Υ平面、YOZ平面和XOZ平面)內(nèi)原點的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；所述的測量處理，具體包括以下具體步驟一、清理機床，準備一個Φ20的刀柄，并連接好計算機的PCMI接口與ΙΚ220卡的 PCI接口，連接測量系統(tǒng)。二、將平面正交光柵測量系統(tǒng)(KGM)中的碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的 XOY平面。在機床上編制沿X、Y方向位移測量的G代碼，沿X、Y方向的位移檢測路徑要求 基本相同，如圖3所示。在KGM自由曲線測試狀態(tài)下，沿X、Y方向各往返測量5次，進給速 度為F = 500mm/min測量范圍L = 100mm,由起點A點直線插補到B點，返回插補到A點，往 返5次。三、再接著編制三軸數(shù)控裝備在Z = Omm的XOY平面內(nèi)循圓運動的G代碼。在KGM 圓軌跡測量狀態(tài)下，以(x，y，z) = (0,0,0)為圓心，圓半徑為50mm，進給速度為500mm/min， 由起點0點直線插補到A點，逆時針圓周插補45°到B點，直線插補回到0點；由起點0點 直線插補到B點，順時針圓周插補45°到A點，直線插補回到0點，如圖4所示。四、在機床上操作測試運動情況。五、將讀數(shù)頭與IK220卡的數(shù)據(jù)線連接好。將讀數(shù)頭通過刀柄安裝在機床主軸上，將平面光柵碼盤固定在機床的工作臺上，如圖6-a)所示，利用兩個耳部的安裝螺釘與梯形 螺母旋緊固定。調(diào)試讀數(shù)頭與碼盤之間的相對位置距離為1mm，保證信號正常接收。六、運行沿X、Y方向直線位移，分別得到XOY平面內(nèi)沿X方向和Y方向的直線軌跡 運動誤差數(shù)據(jù)；以及Z = Omm的XOY平面內(nèi)循圓運動，得到XOY平面內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù) 據(jù)，依次采集并保存檢測數(shù)據(jù)。則XOY平面內(nèi)測量操作結束后，卸下碼盤和讀數(shù)頭。七、采用同樣方法，將KGM碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的XOZ平面內(nèi)。將 讀數(shù)頭與ΙΚ220卡的數(shù)據(jù)線連接好。將讀數(shù)頭通過刀柄安裝在機床主軸上，將平面光柵碼 盤固定在機床的工作臺上，如圖6-b)所示，利用兩個耳部的安裝螺釘與梯形螺母旋緊固 定。調(diào)試讀數(shù)頭與碼盤之間的相對位置距離為1mm，保證信號正常接收。編制三軸數(shù)控裝 備在γ = Omm的XOZ平面內(nèi)沿X、Z方向線位移的G代碼。在KGM自由曲線測試狀態(tài)下，令 讀數(shù)頭沿X、Z方向各往返測量5次，進給速度為F = 500mm/min測量范圍L = 100mm。運 行沿X、Z方向直線位移運動，分別測量XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運動誤 差，采集并保存檢測數(shù)據(jù)。八、編制三軸數(shù)控裝備在Y = Omm的XOZ平面內(nèi)循圓運動的G代碼。在KGM圓軌 跡測量狀態(tài)下，以(x，y，z) = (0,0,0)為圓心，圓半徑為50mm，進給速度為500mm/min，由起 點0點直線插補到A點，逆時針圓周插補45°到B點，直線插補回到0點；由起點0點直線 插補到B點，順時針圓周插補45°到A點，直線插補回到0點。運行Y = Omm的XOZ平面內(nèi) 循圓運動，測量XOZ平面內(nèi)圓軌跡運動誤差，采集并保存檢測數(shù)據(jù)。則XOZ平面內(nèi)測量操作 結束后，卸下碼盤和讀數(shù)頭。九、采用同樣方法，將KGM碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的YOZ平面內(nèi)。將 讀數(shù)頭與IK220卡的數(shù)據(jù)線連接好。將讀數(shù)頭通過刀柄安裝在機床主軸上，將平面光柵碼 盤固定在機床的工作臺上，如圖6-b)所示，利用兩個耳部的安裝螺釘與梯形螺母旋緊固 定。調(diào)試讀數(shù)頭與碼盤之間的相對位置距離為1mm，保證信號正常接收。編制三軸數(shù)控裝備 在X= 120mm的YOZ平面內(nèi)沿Y、Z方向線位移的G代碼。在KGM自由曲線測試狀態(tài)下，沿 Y、Z方向各往返5次，進給速度F = 500mm/min測量范圍L = 100mm,由起點A點直線插補 到B點，返回插補至IJ A點，往返5次。十、編制三軸數(shù)控裝備在Y = 120mm的YOZ平面內(nèi)循圓運動的G代碼。在KGM圓 軌跡測量狀態(tài)下，以(x，y，z) = (120,0,0)為圓心，圓半徑為50mm，進給速度為500mm/min， 由起點0點直線插補到A點，逆時針圓周插補45°到B點，直線插補回到0點；由起點0點 直線插補到B點，順時針圓周插補45°到A點，直線插補回到0點。i^一、運行YOZ平面內(nèi)沿Y、Z方向直線位移以及X = 120mm的YOZ平面內(nèi)循圓運 動，測量YOZ平面內(nèi)沿著Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)、沿著Z方向的直線軌跡運動誤差 數(shù)據(jù)，YOZ平面內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，采集并保存上述檢測數(shù)據(jù)。則YOZ平面內(nèi)測量操作 結束后，卸下碼盤和讀數(shù)頭。至此完成三軸數(shù)控裝備運動誤差的在機檢測過程，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集和保存。第二步，打開數(shù)據(jù)處理模塊中的已存數(shù)據(jù)，通過兩個相互垂直的直線軌跡運功誤 差數(shù)據(jù)辨識方法，辨識得到三軸數(shù)控裝備X軸、Y軸和Z軸的直線度誤差、位置誤差和三根 導軌之間的垂直度誤差共12項移動性誤差分量。所述12項移動性誤差分量具體包括三個軸的定位誤差3項，即X軸的位置誤差S xX、Y軸的位置誤差δ yY、Z軸的位置誤差δ zZ;三個軸的直線度誤差6項，即X軸在Y方 向上的直線度誤差S yX、Y軸在X方向上的直線度誤差S xY、X軸在Z方向上的直線度誤差 S zX、Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ、Y軸在Z方向上的直線度誤差δ zY、Z軸在Y方向 上的直線度誤差Syz;三個軸的垂直度誤差3項，即X軸與Y軸之間的垂直度誤差、,！軸 與Z軸之間的垂直度誤差ε yz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ。所述的兩個相互垂直的直線軌跡運功誤差數(shù)據(jù)辨識方法，具體包括讀取XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)S0 (x)和沿著Y方向的直線 軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Stl(y)；根據(jù)最小二乘擬合計算分別得到X方向的直線軌跡運動誤差數(shù) 據(jù)所包含的趨勢線(直線)Trend(x) =aiX+bi和沿著Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)所包 含的趨勢線(直線)Trend(y) = a2y+b2，其中Id1和a2，b2為通過最小二乘擬合求出的趨 勢直線的參數(shù)。計算￡xy= n/2_a2+ai，可得X軸與Y軸之間的垂直度誤差exy。從X方 向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)所包含的趨勢線(直線)Trend(X)和沿著Y方向的直線軌跡運 動誤差數(shù)據(jù)所包含的趨勢線(直線)Trend(y)中分別去除垂直度誤差^xy所引起的誤差信 號，可得X軸在Y方向上的直線度誤差SyX = Sl(x) =S(l(X)-alX，Y軸在X方向上的直線度 誤差 δχΥ = S1 (y) = S0 (y) _a2y。令 S1 (χ)和 S1 (y)的平均值分別為 Avg_Sx 和 Avg_Sy,則 Y 軸和X軸的位置誤差分別為S yY = Avg_Sx-Y0和δ xX = Avg_Sy-X。。至此可以根據(jù)XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Stl(X)和沿著Y方 向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)s0(y)識別計算出X軸在Y方向上的直線度誤差δ yX，Y軸在X 方向上的直線度誤差Sxy，Y軸軸的位置誤差δ yY和X軸的位置誤差δ χΧ，以及X軸與Y軸 之間的垂直度誤差￡xy共計5項移動性誤差分量。采用同樣的兩個相互垂直的直線軌跡運功誤差數(shù)據(jù)辨識方法，對XOZ平面內(nèi)沿著 X、Z方向上的直線運動測量數(shù)據(jù)進行分析，辨識分離出Z軸的位置誤差δ zZ，X軸在Z方向 上的直線度誤差Szx，Z軸在X方向上的直線度誤差δ χΖ，以及X軸與Z軸之間的垂直度誤 差ε χζ ；通過對YOZ平面內(nèi)沿著Υ、Ζ方向上的直線運動測量數(shù)據(jù)進行分析，辨識分離出Y軸 在Z方向上的直線度誤差δ ζγ，Z軸在Y方向上的直線度誤差Syz，以及X軸與Z軸之間的 垂直度誤差ε yz。第三步，打開數(shù)據(jù)處理模塊中的已存數(shù)據(jù)，通過各個平面(Χ0Υ平面、YOZ平面和 XOZ平面)內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法，辨識得到三軸數(shù)控裝備X軸、Y軸和Z軸的側 滾誤差、偏轉誤差、俯仰誤差共9項轉角性誤差分量。所述9項轉角性誤差分量具體包括X軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)εχ(χ)、Χ軸 的俯仰誤差εγ(χ)和X軸的偏擺誤差εζ(χ)共計3項關于X軸的轉角性誤差分量；Y軸的 滾轉誤差(亦稱滾角誤差)￡Y(y)、Y軸的俯仰誤差￡z(y)和Y軸的偏擺誤差￡x(y)共計 3項關于Y軸的轉角性誤差分量；Z軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)ε ζ (ζ)、Z軸的俯仰誤差 εχ(ζ)、Ζ軸的偏擺誤差εγ(ζ)共計3項關于Z軸的轉角性誤差分量。上述合計共9項轉 角性誤差分量。所述的各個平面內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法，具體包括一、讀取XOY平面內(nèi)的測量圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，由于三軸數(shù)控裝備在Z = 0的 XOY平面內(nèi)，以碼盤中心為圓心，半徑R作圓運動，根據(jù)三軸數(shù)控裝備XOY平面內(nèi)的誤差坐標 矢量與測量點坐標對應的測量方程El = Q1XP1
其中=P1 — [ayyl，ayy2，ayy3，azyl，azy2，azy3, azxl，azx2，azx3, axyl，axy2，axy3]，而 ayyl, ayy2，
ayy3 為Q1 =
E1 = [ Δ R( θ ) +kxy2y2cos θ +kxy3y3cos θ _kxxlxcos θ +kyx2x2sin θ +kyx3x3sin θ -kyylys in θ +xbxysin θ ]而上述變量中ayyl，ayy2, ayy3為Y軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)￡Y(y)的單 項轉角誤差三次多項式模型的擬合系數(shù)(即符合單項誤差三次多項式模型Su(U)= aUuiU+auu2u2+auu3u3) ;azyl，azy2，azy3為Y軸的俯仰誤差ez(y)的單項轉角誤差三次多項式模型 的擬合系數(shù)；axyl，axy2, axy3為Y軸的偏擺誤差ε x(y)的單項轉角誤差三次多項式模型的擬 合系數(shù)；azxl，azx2, azx3為X軸的偏擺誤差ε z(x)的單項轉角誤差三次多項式模型的擬合系 數(shù)。上式中θ、x、y分別為XOY平面內(nèi)測量數(shù)據(jù)各點對應的角度值、以及測量平面內(nèi)的x/y 坐標值，上式中ΔΙ (Θ)為XOY平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運動時的徑向誤差分量。根據(jù)上式做最小二乘擬合得到P = (Q11 X Q1) 1X Q11 X E1，從而擬合出Y軸的滾轉誤 差￡Y(y)、Y軸的俯仰誤差￡z(y)、Y軸的偏擺誤差￡x(y)和X軸的偏擺誤差εζ(χ)等轉 角性誤差多項式的1-3各階系數(shù)。二、采用同樣的平面內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識思路和方法，讀取XOZ平面內(nèi)的 測量圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，對XOZ平面內(nèi)平面內(nèi)的測量圓軌跡運動誤差測量數(shù)據(jù)進行分 析，根據(jù)三軸數(shù)控裝備在XOZ平面內(nèi)的誤差坐標矢量與測量點坐標對應的測量方程:ΕΧ0Ζ = Qxoz X Ρχοζ，其中=Pxoz= [ay xl' ayx2' ayx3' ayzl ‘ ayz2'Qxoz = [-x2sin θ -xzcos θ , -x3sin θ -x2zcos θ , -x4sin θ -x3zcos θ , -Lzcos θ , -Lz 2Cos θ , -Lz3COS θ ]
Exoz = [Μ(θ) - Sx(χ) cos θ - ζφζχ cos θ - Sz (ζ) sin θ+ Sz (χ) sin θ]而上述變量中ayxl，ayx2，ayx3為X軸的俯仰誤差εγ(χ)的單項轉角誤差三次多項式 模型的擬合系數(shù)(即符合單項誤差三次多項式模型Su(U) = auulu+auu2u2+auu3u3) ；ayzl，ayz2， ayz3為Z軸的偏擺誤差εγ(ζ)的單項轉角誤差三次多項式模型的擬合系數(shù)；上式中θ、χ、 ζ分別為XOZ平面內(nèi)測量數(shù)據(jù)各點對應的角度值、以及測量平面內(nèi)的χ/ζ坐標值。L為刀 柄的長度(或者為測量接桿長度)，上式中ΔΙΚΘ)為XOZ平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運動時 的徑向誤差分量，δ為前述各項移動性誤差分量。根據(jù)上式做最小二乘擬合得到Proz = (QTxoz X Qxoz) 1 X Exq/ X Exoz，從而擬合、分離辨識出X軸的俯仰誤差ε Y (X)和Z軸的偏擺誤差 ε γ(ζ)等轉角性誤差多項式的1-3各階系數(shù)。三、采用同樣的平面內(nèi)圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識思路和方法，讀取YOZ平面內(nèi)的 測量圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，對YOZ平面內(nèi)平面內(nèi)的測量圓軌跡運動誤差測量數(shù)據(jù)進行分 析，根據(jù)三軸數(shù)控裝備在YOZ平面內(nèi)的誤差坐標矢量與測量點坐標對應的測量方程Eyqz = Qyoz X Ργοζ ‘其中=Pyoz= [ax
zl ‘ axz2' axz3' axxl ‘ axx2' axx3' azzl ‘ azz2' azz3」Qyoz = [Lzcos θ，Lz2Cos θ，Lz3Sin θ，zxcos θ +ycsin θ，zx2cos θ +yx2sin θ，zx3cos θ +yz3sin θ , -czcos θ , -cz2cos θ , -cz3cos θ ]
Eyoz =-[(ζ + Obcz )￡x(y) + χε,(χ) + Sy (ζ) + Sy(y) - z￡y(z) - c^Jcos θ
-yex(y) sin θ + c￡y (χ) sin θ-δ, (ζ) sin θ +Sz (χ) sin 0 + d,{y) sin θ]而上述變量中axzl，axz2，axz3為Z軸的俯仰誤差εχ(ζ)的單項轉角誤差三次多項式 模型的擬合系數(shù)(即符合單項誤差三次多項式模型Eu(U) = auulu+auu2u2+auu3u3) ；axxl, axx2, axx3為X軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)εχ(χ)的單項轉角誤差三次多項式模型的擬合系 數(shù)；azzl，azz2，azz3為Z軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)εζ(ζ)的單項轉角誤差三次多項式模 型的擬合系數(shù)；上式中χ為定值，θ、y、z分別為YOZ平面內(nèi)測量數(shù)據(jù)各點對應的角度值、以 及測量平面內(nèi)的y/z坐標值。L為刀柄的長度(或 者為測量接桿長度)；δ為前述各項移 動性誤差分量，上式中ΔΙ (Θ)為YOZ平面內(nèi)圓軌跡以R半徑運動時的徑向誤差分量。根 據(jù)上式做最小二乘擬合得到Ptoz = (QtyozX Qyoz) 1XΕγοζτXEtoz，從而擬合、分離辨識出Z軸的 俯仰誤差εχ(ζ)、Χ軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)εχ(χ)和Z軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤 差)εζ(ζ)等轉角性誤差多項式的1-3各階系數(shù)。至此，所有三軸數(shù)控加工中心的21項幾何運動誤差全都檢測完畢。實施結果表明，被測的三軸數(shù)控裝備6的各項檢測指標都在正常的精度指標范圍 內(nèi)，與用其他方法驗收的結論一致，但本發(fā)明中的檢測方法更加簡便、快速。整個測量過程 在1-2小時內(nèi)可以完成，與激光干涉儀等傳統(tǒng)方法測量的1-2天相比，效率得到很大提高。 采用非接觸式測量對相對運動速度約束較小，測量更加靈活。同時，該測量辨識方法求解結 果惟一，很好地解決了傳統(tǒng)的雙球規(guī)等測量及辨識方法中可能出現(xiàn)的由于測量辨識矩陣不 滿秩而導致準確解難以確定的理論問題。
1權利要求
一種三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，以工作平臺水平左右滑動的方向為y軸、水平垂直y軸的前后方向為x軸、以工作臺臺面中心為原點，豎直垂直x軸和y軸的方向為z軸，根據(jù)右手定則來建立XYZ直角坐標系，利用平面正交光柵測量系統(tǒng)對三軸數(shù)控設備進行測量處理，分別得到三軸數(shù)控裝備XOY平面、YOZ平面和XOZ平面的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)sXY(x)和sXY(y)、sYZ(y)和sYZ(z)、sYZ(y)和sXZ(z)，以及繞XOY平面、YOZ平面和繞XOZ平面內(nèi)原點的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)EXOY、EYOZ、EXOZ，其中sXY(x)和sXY(y)分別指XOY平面內(nèi)沿著X方向和Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；sYZ(y)和sYZ(z)分別指YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；sXZ(x)和sXZ(z)分別指XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；EXOY、EYOZ、EXOZ分別指XOY平面、YOZ平面、XOZ平面內(nèi)以一定半徑R作平面圓軌跡運動時所得實際圓軌跡點坐標和理論圓軌跡點坐標之間的徑向誤差坐標矢量數(shù)據(jù)；第二步，通過直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法對原點的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)EXOY、EYOZ、EXOZ進行辨識，分別得到三軸數(shù)控設備X軸的位置誤差δxX，Y軸的位置誤差δyY，Z軸的位置誤差δzZ，X軸在Y方向上的直線度誤差δyX，Y軸在X方向上的直線度誤差δxY，X軸在Z方向上的直線度誤差δzX，Z軸在X方向上的直線度誤差δxZ，Y軸在Z方向上的直線度誤差δzY，Z軸在Y方向上的直線度誤差δyZ，X軸與Y軸之間的垂直度誤差εxy，Y軸與Z軸之間的垂直度誤差εyz，和X <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>xX</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>xx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>軸與Z軸之間的垂直度誤差εxz，其中 <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>yY</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>yy</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>y</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>kxxn、kyyn、kzzn分別為X軸、Y軸、 <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>zZ</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>zz</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>z</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>yx</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>yx</mi> <mi>n</mi></msub> 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</mrow>kyxn，kzxn為X <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>xz</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>xz</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>z</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>δ</mi> <mi>yz</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><msub> <mi>yz</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>z</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>導軌在Y軸和Z軸方向上直線度誤差的第n階分量的系數(shù)；kxyn，kzyn為Y導軌在X軸和Z軸方向上直線度誤差的第n階分量的系數(shù)；kxzn，kyzn為Z導軌在X軸和Y軸方向上直線度誤差的第n階分量的系數(shù)，一般n取值為3，即各項誤差各自辨識前3階誤差分量的系數(shù)，byx為X導軌和Y導軌垂直度誤差分量的系數(shù)；byz為Z導軌和Y導軌垂直度誤差分量的系數(shù)；bxz為X導軌和Z導軌垂直度誤差分量的系數(shù)；第三步，通過圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法對原點的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)EXOY、EYOZ、EXOZ進行辨識，得到X、Y、Z三個軸的9項轉動性轉角誤差，具體分為X軸的滾轉誤差(亦稱滾角誤差)εX(x)、俯仰誤差εY(x)和偏擺誤差εZ(x)，Y軸的滾轉誤差εY(y)、俯仰誤差εZ(y)和偏擺誤差εX(y)，Z軸的滾轉誤差εz(z)、俯仰誤差εx(z)和偏擺誤差εY(z)， <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>X</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>xx</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>×</mo> <msup><mi>x</mi><mi>n</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>Y</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> 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2.根據(jù)權利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法，其特征是，所述 的平面正交光柵測量系統(tǒng)，包括平面檢測光柵讀數(shù)頭、ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理模塊、 Φ 20的刀柄、固定裝置和三軸數(shù)控裝備，其中平面檢測光柵讀數(shù)頭和ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡相 連傳輸測量數(shù)據(jù)，ΙΚ220數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理模塊相連傳輸測量數(shù)據(jù)以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)辨 識和顯示，平面檢測光柵讀數(shù)頭安裝在刀柄以便于固定在三軸數(shù)控裝備，平面檢測光柵碼 盤固定在固定裝置上。
3.根據(jù)權利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法，其特征是，所述 的測量處理，包括以下步驟1)將平面檢測光柵碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的XOY平面，在KGM自由曲線 測試狀態(tài)下，令讀數(shù)頭沿Χ、Υ方向各往返測量若干次，分別得到XOY平面內(nèi)沿著X方向和Y 方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)；在KGM圓軌跡測量狀態(tài)下，令讀數(shù)頭以XOY平面內(nèi)平面檢測 光柵碼盤安裝中心坐標點為圓心，以R為半徑沿圓軌跡運動若干次，得到XOY平面內(nèi)圓軌跡 運動誤差數(shù)據(jù)，其中，R的取值范圍是30mm 70mm ；2)分別將平面檢測光柵碼盤設置在三軸數(shù)控裝備的工作平臺的XOZ平面和YOZ平面 內(nèi)，測量得到XOZ平面內(nèi)沿著X方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)、XOZ平面內(nèi)圓軌跡 運動誤差數(shù)據(jù)，以及YOZ平面內(nèi)沿著Y方向和Z方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)、YOZ平面內(nèi) 圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法，其特征是，所述 的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Sxy(X)和沿著Y方向的直線軌 跡運動誤差數(shù)據(jù)sXY(y)，利用最小二乘擬合方法分別得到X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù) 所包含的直線Trend (χ) = ^db1和沿著Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)所包含的趨勢直 線Trend(y) = a2y+b2，其中=B1^b1和a2、b2為通過最小二乘擬合求出的趨勢直線的參數(shù)；X軸與Y軸之間的垂直度誤差ε xy，具體是ε xy = η /2-a2+ai ；X軸在Y方向上的直線度誤差δ yX，具體是δ yX = Sxy(X)-B1X ；Y軸在X方向上的直線度誤差S xY，具體是S xY = sXY(y) -a2y ；Y軸的位置誤差S yY，具體是δ w = Avg-Sx-Yci，其中Avg_SX是Syx的平均值，Yci是待 檢測點的縱坐標；X軸的位置誤差Sxx，具體是δ X5i = Avg-Sy-Xci，其中Avg_Sy是δ χΥ的平均值，Xci是待 檢測點的橫坐標；2)提取XOZ平面內(nèi)沿著X方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)Sxz(X)和沿著Z方向的直線 軌跡運動誤差數(shù)據(jù)sxz(z)，得到Z軸的位置誤差δ ζΖ、X軸在Z方向上的直線度誤差δζΧ、Ζ 軸在X方向上的直線度誤差Sxz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差εχζ ；提取YOZ平面內(nèi)沿著Y方向的直線軌跡運動誤差數(shù)據(jù)sYZ (Y)和沿著Z方向的直線軌跡 運動誤差數(shù)據(jù)Syz(Z)，得到Y軸在Z方向上的直線度誤差δ zY、Z軸在Y方向上的直線度誤 差Syz以及X軸與Z軸之間的垂直度誤差eyz。
5.根據(jù)權利要求1所述的三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法，其特征是，所述 的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)辨識方法，包括以下步驟1)提取XOY平面內(nèi)的圓軌跡運動誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)三軸數(shù)控裝備XOY平面內(nèi)作圓運 動的徑向誤差坐標矢量Exot與各誤差分量Pxot的對應關系(即對應的測量方程)Exot = ΟχογΧΡχογ，其中
全文摘要
一種機械檢測技術領域的三軸數(shù)控裝備的幾何運動誤差的檢測方法，利用平面光柵既可以測量三軸數(shù)控裝備的直線運動誤差，又可以測量圓運動誤差的特點，首先分離出X導軌、Y導軌和Z導軌的直線度誤差、位置誤差和三根導軌之間的垂直度誤差共12項誤差分量，然后再分離三根導軌的9項轉角誤差分量。
文檔編號B23Q17/00GK101982726SQ20101029217
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權日2010年9月27日
發(fā)明者張淑潔, 杜月陽, 杜正春, 楊帆, 郭揚 申請人:上海交通大學