一種五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸的幾何誤差連續(xù)測量方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測量技術(shù)領域，更具體地，涉及一種五軸聯(lián)動機 床旋轉(zhuǎn)軸的幾何誤差連續(xù)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 五軸聯(lián)動數(shù)控機床是目前解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機 轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等復雜零件加工的唯一手段，其在工業(yè)領域得到一定范圍的應用。然 而五軸聯(lián)動數(shù)控機床在高速、高精、智能等性能方面，存在加工精度差、誤差大等問題。機床 的幾何誤差是產(chǎn)生零件加工誤差的主要原因之一，幾何誤差為系統(tǒng)誤差，具有良好的重復 性，可以通過軟件補償而大大減小，而五軸聯(lián)動機床由于引入了旋轉(zhuǎn)軸，結(jié)構(gòu)更為復雜，幾 何誤差分量更多，其除了三個直線軸的21項誤差外，還包括兩個旋轉(zhuǎn)軸引入的12項誤差、 兩個旋轉(zhuǎn)軸和空間平面之間的4項平行度誤差以及由主軸運動引入的5項誤差，因此采用 現(xiàn)有的軟件補償方式對五軸聯(lián)動機床的幾何誤差進行測量和補償，特別是兩個旋轉(zhuǎn)軸幾何 誤差的測量更為困難。
[0003] 目前，針對五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的測量方法可分為離散式一次裝卡測量 和連續(xù)式多次裝卡測量。離散式一次裝卡測量方法采用了離散式測量儀器如觸發(fā)式測頭進 行目標點坐標值的采集，基于微分運動方程及雅可比矩陣建立機床空間誤差模型，并在此 基礎上完成旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差值的求解，該方法在一次裝卡的前提下完成了整個測量流程， 中途無需二次裝卡，具有較高的測量效率。連續(xù)式多次裝卡測量方法是采用連續(xù)式測量設 備如接觸式跟蹤球、非接觸式跟蹤球、雙球桿儀或多普勒激光干涉儀，多次裝卡完成整個測 量流程，進而利用機床空間誤差模型求解出旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差值，該方法采用了連續(xù)式測量 儀器，提高了幾何誤差的測量精度。
[0004] 然而，進一步的研究，上述現(xiàn)有技術(shù)仍然存在以下的缺陷或不足：一方面，采用離 散式測量儀器時，其測量精度受到旋轉(zhuǎn)軸采樣點分布密度的限制，測量精度低；另一方面， 采用連續(xù)式測量儀時，通常將兩端分別連接于主軸和工作臺，而誤差傳導部分采用靜態(tài)連 接方式，即傳感器形狀外觀保持不變，但一個剛體的空間位姿至少需要三個不共線點來確 定，因此受限于誤差傳導部分靜態(tài)連接的運動約束，其需多次裝卡測量儀器才能執(zhí)行整個 測量流程，測量效率受到較大限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸的 幾何誤差連續(xù)測量方法，其中結(jié)合五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸自身的特點，相應的設計了適合用 于連續(xù)測量其幾何誤差的方法，其中利用斜曲面建立待測剛體X、Y、Z三個方向位置偏差的 映射關(guān)系，將X、Y、Z三個維度的平移映射為單一維度的距離變化，在一次裝卡的同時實現(xiàn) 了連續(xù)采樣，具有測量效率高、精度高等優(yōu)點，因而尤其適用于五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤 差測量等場合。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸的幾何誤差連續(xù)測量方 法，其特征在于，包括如下步驟：
[0007] (1)在所述五軸聯(lián)動機床的主軸上安裝激光位移傳感器并進行調(diào)試；在所述五軸 聯(lián)動機床的回轉(zhuǎn)式工作臺上安裝三個不共線的標定球，其中，待測的五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸 包括擺動軸A和回轉(zhuǎn)軸C ;以所述五軸聯(lián)動機床的坐標系為基準，設定所述標定球的齊次坐 標表達式；
[0008] (2)以所述擺動軸A為標定軸，利用所述激光位移傳感器測量所述擺動軸A在不同 轉(zhuǎn)角時，所述各標定球圓心在X、Y、Z方向上的位置偏差；
[0009] (3)以所述回轉(zhuǎn)軸C為標定軸，利用所述激光位移傳感器測量所述回轉(zhuǎn)軸C在不同 轉(zhuǎn)角時，所述各標定球圓心在X、Y、Z方向上的位置偏差；
[0010] ⑷根據(jù)步驟⑵和（3)獲得的測量結(jié)果，并結(jié)合所述標定球的齊次坐標表達式， 計算獲得所述擺動軸A和回轉(zhuǎn)軸C的幾何誤差值，以此方式，完成五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)軸的幾 何誤差的連續(xù)測量。
[0011] 作為進一步優(yōu)選的，所述擺動軸A與所述五軸聯(lián)動機床的X直線軸平行，所述回轉(zhuǎn) 軸C與所述五軸聯(lián)動機床的Z直線軸平行，所述擺動軸A控制所述五軸聯(lián)動機床的搖籃式 擺動臺的擺動，所述回轉(zhuǎn)軸C控制所述五軸聯(lián)動機床的回轉(zhuǎn)式工作臺的轉(zhuǎn)動。
[0012] 作為進一步優(yōu)選的，所述三個不共線的標定球采用如下方式進行安裝：將所述三 個標定球分別安裝于所述回轉(zhuǎn)式工作臺上使各球的球桿垂直于回轉(zhuǎn)式工作臺的上表面，其 中，各球的球心到回轉(zhuǎn)式工作臺上表面的距離等于擺動軸A的軸線到回轉(zhuǎn)式工作臺上表面 的距離；此外，所述三個標定球的球心分別位于一等邊三角形的三個頂點上，該等邊三角形 以所述擺動軸A的軸線與回轉(zhuǎn)軸C的軸線的交點為中心，且其邊長等于所述回轉(zhuǎn)式工作臺 臺面半徑的1.5倍。
[0013] 作為進一步優(yōu)選的，所述標定球的齊次坐標表達式采用如下方式設定：令 P(A11Cyk)代表第k個標定球球心在機床坐標系中的坐標，其中k= 1、2、3, i、j分別為擺 動軸A和回轉(zhuǎn)軸C在掃描過程中的采樣點個數(shù)；將所述擺動軸A和回轉(zhuǎn)軸C旋轉(zhuǎn)至零位置， 用所述激光位移傳感器從Z方向掃描三個標定球的球面，進而獲得三個標定球的球心在機 床坐標系中的初始位置P (0, 0, I)、P (0, 0, 2)、P (0, 0, 3);計算經(jīng)過上述三個初始位置的圓 的圓心坐標0,設定0為新坐標系原點，令第k個標定球的球心在新坐標系下的齊次坐標表 達式為：
[0014]
[0015] 作為進一步優(yōu)選的，以所述擺動軸A為標定軸，測量所述各標定球圓心在X、Y、Z方 向上的位置偏差的具體步驟如下；
[0016] (1)旋轉(zhuǎn)擺動軸A和回轉(zhuǎn)軸C至0°，以標定球k為掃描對象，使所
[0017] 述激光位移傳感器的光束定位于所述標定球的球心坐標系 (力7? / 3,-力7? / 3, >% / 3)點處，其中R為標定球的半徑，讀取所述激光位移傳感器的掃描值 Lai (0, 0, k);然后使擺動軸A從90°旋轉(zhuǎn)至-90°，在旋轉(zhuǎn)過程中，讀取所述激光位移傳感 器的掃描值序列LA1(i, 0, k);令Λ xA(i，0, k)、Λ yA(i，0, k)、Λ zA(i, 0, k)分別表示標定球 讓的球心在八=41、0 = 0°時，相對于初始位置八=0°、0 = 0°在乂、￥、2方向上的偏移， 獲得如下方程：
[0018] -Δ xA(i, 〇, k) + A yA(i, 〇, k)-A zA(i, 0, k) = Lai (i, 0, k)-Lai (0, 0, k)；
[0019] (2)再次旋轉(zhuǎn)擺動軸A至0°，以標定球k為掃描對象，使所述激光位移傳感器的 光束定位于球心坐標系（〇,〇，R)點處，讀取所述激光位移傳感器的掃描值L a2 (0,0，k);然后 使擺動軸A從90°旋轉(zhuǎn)至-90°，在旋轉(zhuǎn)過程中，讀取所述激光位移傳感器的掃描值序列 L A2 (i, 0, k)，獲得如下方程：
[0020] -ΔζΑ(?,0, k) = LA2 (i, 0, k)-La2 (0, 0, k)；
[0021] (3)再次旋轉(zhuǎn)擺動軸A至0°，以標定球k為掃描對象，使所述激光位移傳感 器的光束定位于球心坐標系（ -Rcos45°，0，Rcos45° )點處，讀取所述激光位移傳感 器的掃描值LA3(0,0，k);然后使擺動軸A從90°旋轉(zhuǎn)至-90°，在旋轉(zhuǎn)過程中，讀取所述 激光位移傳感器的掃描值序列L A3(i, 0, k)，獲得如下方程：Δ xA(i, 〇, k)_A zA(i, 0, k)= LA3 (i, 0, k)-LA3 (Ο, Ο, k)；
[0022] (4)根據(jù)步驟（1)-⑶中獲得的方程求得Λ xA(i，0, k)、Λ yA(i，0, k)、 Δ ζΑ (i, Ο, k)：
[0023]
[0024] 作為進一步優(yōu)選的，以所述回轉(zhuǎn)軸C為標定軸，測量所述各標定球圓心在Χ、Υ、Ζ方 向上的位置偏差的具體步驟如下；
[0025] (1)旋轉(zhuǎn)擺動軸A和回轉(zhuǎn)軸C至0°，以標定球k為掃描對象，使所述激光位移 傳感器的光束定位于所述標定球的球心坐標系
）點處，其中R為 標定球的半徑，讀取所述激光位移傳感器的掃描值La (0, 0, k);然后使回轉(zhuǎn)軸C從O ° 旋轉(zhuǎn)至360°，在旋轉(zhuǎn)過程中，讀取所述激光位移傳感器的掃描值序列La (0，j，k);令 Λ xc (0, j, k)、Λ yc(0, j, k)、Λ zc (0, j, k)分別表示標定球 k 的球心在 C = Cp A = 0° 時， 相對于初始位置C = 0°、A = 0°在X、Y、Z方向上的偏移，獲得如下方程：-AXc(〇，j，k) + Δ yc (0, j, k) - Δ Zc (Ο, J, k) = Lci (Ο, j, k) -Lci (Ο, Ο, k)；
[0026] (2)再次旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)軸C至0°，以標定球k