数控机床转台运动误差的快速检测方法

摘要

本发明公开了一种数控机床转台运动误差的快速检测方法，测量时，将目标靶镜“猫眼”安装在刀具附近，并把猫眼的中心位置定义为基站位置。激光跟踪仪安装在转台上，并跟随转台一起转动。该方法通过在不同基站位置对转台运动进行测量，利用测量得到的各测量点到不同基站的距离，确定出转台运动过程中各测量点的空间坐标。通过得到的各测量点处转台的运动误差，建立转台转过相同角度时各测量点的运动误差方程，通过对方程求解从而辨识出对应位置处转台的各项误差。该方法具有快速、精度高等优点，适合数控机床转台运动误差的检测。

主权项

一种数控机床转台运动误差的快速检测方法，其特征在于，包括下述步骤：第一步，测量将目标靶镜“猫眼”安装在刀具附近，并把猫眼的中心位置定义为基站位置，通过控制刀具的运动来改变基站的位置；激光跟踪仪安装在转台上，并跟随转台一起转动，并将激光跟踪仪跟踪转镜的中心定义为测量点；在每个基站位置测量时，控制转台每转过一定角度，转台停止运动，并记下当前位置激光跟踪仪的测距数据，当转台转过360°时，第一个基站位置测量结束，通过控制刀具的运动，将猫眼移动到第二个基站位置，再次对转台运动进行测量，直至在所有基站位置都完成了对转台运动的测量，上述测量过程称为第一次测量；当第一次测量结束后，将激光跟踪仪移动到转台上的另一个位置，并重复第一次测量过程；为了分离出转台的各项误差，应该对转台运动至少进行三次测量，并且每次测量时，激光跟踪仪在转台上的初始位置都是不同的；第二步，数据处理利用已知的多个基站位置，和测量得到的测量点到不同基站的距离，确定出转台运动过程中各测量点的空间坐标；通过得到的各测量点处转台的运动误差，建立不同次测量时，转台转过相同角度各测量点的运动误差方程，通过对方程求解从而辨识出对应位置处转台的各项误差。具体步骤为：1)测量点空间坐标标定测量时，基站位置的变换是通过刀具的运动来实现的，利用刀具运动时的坐标关系，可直接确定出各基站在机床坐标系下的坐标Pj(xpj，ypj，zpj)，j＝1、2、......。为了确定出转台运动过程中各测量点的坐标，基站数N≥3；同时，转台中心在机床坐标系的坐标为O(px，py，pz)，当转台未转动时，初始测量点坐标为A0(x0，y0，z0)，根据初始测量点到各基站的距离公式得到关于x0、y0、z0的非线性方程组，将其线性化，通过最小二乘原理及极值原理推导，可得： 2 Σ j = 1 4 x pj 2 2 Σ j = 1 4 x pj y pj 2 Σ j = 1 4 x pj z pj - Σ j = 1 4 x pj 2 Σ j = 1 4 x pj y pj 2 Σ j = 1 4 y pj 2 2 Σ j = 1 4 y pj z pj - Σ j = 1 4 y pj 2 Σ j = 1 4 x pj z pj 2 Σ j = 1 4 y pj z pj 2 Σ j = 1 4 z pj 2 - Σ j = 1 4 z pj - Σ j = 1 4 x pj - Σ j = 1 4 y pj - Σ j = 1 4 z pj 2 x 0 y 0 z 0 C = Σ j = 1 4 x pj ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L j 0 2 Σ j = 1 4 y pj ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L j 0 2 Σ j = 1 4 z pj ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L j 0 2 - 1 2 Σ j = 1 4 ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L j 0 2 - - - ( 6 ) 其中xpj、ypj、zpj为第j个基站的空间坐标，Lj0为第j个基站测量时，初始测量点处激光跟踪仪的测距数据；当转台转动时，转台每转过θ角度时，各测量点坐标为Ai(xi，yi，zi)，i＝1、2、...，根据测量点到各基站的距离公式得到关于xi、yi、zi的非线性方程组，将其线性化，通过最小二乘原理及极值原理推导，可得： 2 Σ j = 1 4 x pj 2 2 Σ j = 1 4 x pj y pj 2 Σ j = 1 4 x pj z pj - Σ j = 1 4 x pj 2 Σ j = 1 4 x pj y pj 2 Σ j = 1 4 y pj 2 2 Σ j = 1 4 y pj z pj - Σ j = 1 4 y pj 2 Σ j = 1 4 x pj z pj 2 Σ j = 1 4 y pj z pj 2 Σ j = 1 4 z pj 2 - Σ j = 1 4 z pj - Σ j = 1 4 x pj - Σ j = 1 4 y pj - Σ j = 1 4 z pj 2 x i y i z i C 1 = Σ j = 1 4 x pj ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L ji 2 Σ j = 1 4 y pj ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L ji 2 Σ j = 1 4 z pj ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L ji 2 - 1 2 Σ j = 1 4 ( x pj 2 + y pj 2 + z pj 2 - L ji 2 - - - ( 2 ) 利用转台中心在机床坐标下的坐标O(px，py，pz)，通过坐标变换，将各测量点坐标变换到转台坐标系下，并设各测量点在转台坐标系下的坐标为Bbi(xbi，ybi，zbi)，i＝0、1、...，其中Bb0(xb0，yb0，zb0)为初始测量点在转台坐标系下的坐标；2)转台误差分离在不考虑转台误差时，当转台每转过θ角度时，测量点在转台坐标系下的理论坐标为Bbi′(xbi′，ybi′，zbi′)，i＝1、2、...。通过对初始测量点坐标进行旋转变换便可得到转台每转过θ角度时各测量点的理论坐标Bbi′(xbi′，ybi′，zbi′)； x bi ′ y bi ′ z bi ′ = cos ( iθ ) - sin ( iθ ) 0 sin ( iθ ) cos ( iθ ) 0 0 0 1 x b 0 y b 0 z b 0 = x b 0 cos ( iθ ) - y b 0 sin ( iθ ) x b 0 sin ( iθ ) + y b 0 cos ( iθ ) z b 0 - - - ( 3 ) 利用子步骤1)中得到的转台转动过程中各测量点的实际坐标Bbi(xbi，ybi，zbi)与其理论坐标Bbi′(xbi′，ybi′，zbi′)进行比对，便可得到转台在各测量点处的运动误差Bbi(Δxbi，Δybi，Δzbi)，i＝1、2、...；利用得到的各测量点处转台的运动误差，根据旋转轴的误差模型，建 立不同次测量时，转台转过相同角度各测量点的运动误差方程，采用最小二乘法对该方程组求解，获得对应位置处转台的各项几何误差。