[发明专利]一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床转台测量技术领域，特别涉及一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法。

背景技术

几何误差是影响数控机床加工精度最重要的因素，因此，快速、准确检测出机床的各项几何误差并进行误差补偿是提高机床加工精度的重要途径之一。目前，机床直线轴误差检测方法有很多，而旋转轴误差检测方法相对较少，也是目前机床检测的难点之一。采用自准直仪和多面体只能对转台的定位误差进行评定，而对其他各项误差无法测量。利用激光干涉仪和英国Renishaw公司的RX10回转精度测量仪以及其他辅助测量工具，可对转台的各项误差进行测量，但检测周期较长；利用球杆仪测量时，需要机床多轴联动，并需要球杆仪在不同模式下进行测量，测量过程较为复杂。

由于转台的运动精度直接影响着多轴数控机床的整体加工精度，有必要提出一种能够快速、准确检测出旋转轴精度的新方法，为提高多轴数控机床加工精度奠定坚实的基础。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法，具有成本低、精度高、操作快速简单、测量信息丰富等优点。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法，包括以下步骤：

1）利用三坐标测量机标定猫眼托架六个固定点的相对空间坐标位置，六个固定点为猫眼1绕回转轴4旋转一周的六个不同位置；

2）将猫眼托架固定安装在旋转轴转台上，然后以猫眼托架的回转中心为坐标原点O，以过坐标原点O和第一个固定点的直线为X轴，设定坐标原点O、第一个固定点以及第二个固定点所确定的平面为XOY平面，在XOY平面内过坐标原点O垂直于X轴的直线为Y轴，以过坐标原点O垂直于XOY平面的直线为Z轴，然后按照右手法则建立位置固定的笛卡尔坐标系；

3）利用六个固定点在笛卡尔坐标系的位置坐标完成激光跟踪仪在四个基站的标定；在机床转台旋转过程中，利用激光跟踪仪在四个基站的空间坐标值连续标定六个固定点中三个固定点的坐标，得到三个固定点的空间闭合圆周轨迹线；

4）利用最小二乘法求解三条闭合圆周轨迹线的三个理论圆心空间坐标，求解一条空间直线L₁，使其距离三个理论圆心的距离平方和最小；

5）过坐标原点O作一垂直于直线L₁的直线L₂交于点O’，以O’为坐标原点，直线L₂为X轴，直线L₁为Z轴，依据右手法则建立笛卡尔坐标系；

6）求解步骤2）中的笛卡尔坐标系向步骤5）中笛卡尔坐标系的转换矩阵，并利用此转换矩阵求解三条空间轨迹线在步骤5）中笛卡尔坐标系中的坐标；

7）连接三个固定点的空间轨迹上的对应点，得到连续多个三角形的空间位姿；

8）求三角形的法向量，定义初始三角形的法向量为初始法向量，后续三角形的法向量为后续法向量，在步骤5）中所建立的笛卡尔坐标系中，将初始法向量绕Z轴旋转，旋转角度为数据采集时的理论角度值，旋转次数与后续法向量的个数相同，并记录旋转之后的法向量值；

9）以步骤8）中旋转后的初始法向量为参考，后续法向量分别绕Z轴和X轴各旋转一次，使后续法向量与步骤8）中旋转后的初始法向量重合，两个旋转角分别为旋转轴圆周定位误差和绕X轴的旋转角误差；

10）利用后续法向量与X、Y、Z轴的夹角关系求解出第三项旋转角误差；

11）利用步骤9）所得到的两项旋转角误差使后续三角形分别绕步骤9）中所述两个轴逆向旋转，经过旋转，所有后续三角形与初始三角形的夹角与理论值相同，并记录旋转后的顶点坐标；

12）将初始三角形顺向绕步骤5）中所建立的笛卡尔坐标系Z轴进行旋转，旋转角度值分别为所有后续三角形数据采集时时的转台旋转角度理论值，有多少后续三角形便旋转多少次，并记录此时初始三角形任意顶点的空间坐标值；

13）将经过步骤12）的所有初始三角形上顶点空间坐标值与步骤11）中所有后续三角形对应顶点的空间坐标值相减，所得到的三项误差即为旋转轴三项直线度误差。

所述步骤3）的具体实施流程为：

第一步、将激光跟踪仪显示值设为0，旋转猫眼托架的摆杆，在六个不同位置记录激光跟踪仪的显示值，利用这些显示值标定激光跟踪仪所在基站B₁的空间坐标；