[发明专利]基于微分变换的数控机床在机测量系统综合误差补偿方法

说明书

本发明公布了一种基于微分变换的数控机床在机测量系统综合误差补偿方法，应用于在机测量误差补偿领域，包括对在机测量各运动部件的误差进行分析，并将误差等效成相对于理想矩阵的微分算子。为了实现利用机床本体的三轴运动补偿各项误差，将传统机床多体系统建模中刀具与工件运动链，简化成沿单一方向传递运动链，并计算各运动部件之间的矩阵关系，最终推导出在机测量系统的综合误差模型。利用矩阵之间的传递关系将各刚体误差等效成机床本体三轴的线性误差，利用三轴机床的联动，对测量系统的光栅热误差、示值误差、导轨系统的阿贝误差、测头系统的安装误差进行补偿。此种建模精度更高、更符合在机测量的实际工况，能够较好消除在机测量系统中多误差源的影响，提高在机测量系统的测量精度。

技术领域

本发明涉及机床误差补偿领域，具体涉及一种基于微分变换的数控机床在机测量系统综合误差补偿方法。

背景技术

数控机床加工零件完成后,通常采用手工检测、离线检测、在线检测三种方法对零件的尺寸进行测量，且离线测量居多，工件在离线检测的过程中要进行多次装夹，测量的效率低，且在装夹的过程中会引入重复定位误差。基于数控机床的在机测量系统能够在一台机床上利用一次装夹完成全部或大部分加工测量任务，具有较高的测量精度与加工效率，因此基于数控的在机测量技术在实际生产中受到广泛的关注，在机测量系统综合误差既存在动态误差，又存在由于测量工况变化引起的动态误差，各误差存在相关性与抵偿性，如果不对在机测量系统误差进行处理，其测量精度就无法满足测量基准精度至少高于被测对象精度三倍以上的基本要求。

为了补偿在机测量系统的综合误差，国内外的专家与学者对基于数控机床的在机测量系统综合误差建模展开了大量研究与探索。但在误差补偿解耦方面，研究文献却相对较少，其中代表的是微分法与雅可比矩阵法。这两种方法建立在对变换矩阵求导的基础上，计算过程较为复杂，而且针对的是特定结构的机床。多轴数控机床结构形式繁多，为每种结构专门进行误差建模显然是不可行的，这限制了误差补偿法的应用和推广。近年来，基于微分变换的数控机床几何误差解耦方法，得到广泛的应用，并在实际生产中取得较好的补偿效果。但是实际的在机测量系统中不仅有几何误差，还有光栅系统的热误差、导轨系统的阿贝误差，测头系统的安装误差与热误差。且本体为三轴数控机床的在机测量系统只有平动轴而没有旋转轴，测头的姿态误差无法进行补偿。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微分变换的数控机床在机测量系统综合误差补偿方法，利用微分变换法综合考虑光栅测量系统的零点漂移误差、示值误差和导轨系统的阿贝误差建立在机测量系统综合误差模型，构建雅可比矩阵，建立三个平动轴的位移补偿量与测头姿态误差、位置误差的映射关系，并最终求解出三轴位移补偿，在测量过程中，以计算的补偿量对三轴的运动进行补偿就能有效的提高在机测量的精度。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于微分变换的数控机床在机测量系统综合误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤一：建立堆栈式工作台Y轴导轨系统引起的待测点的偏摆—阿贝误差、俯仰—阿贝误差、滚转—阿贝误差模型；

步骤二：建立X轴导轨系统和Y轴导轨系统共同作用引起的待测点的偏摆—阿贝误差、俯仰—阿贝误差、滚转—阿贝误差模型；

步骤三：建立Z轴导轨系统引起的主轴坐标原点的偏摆—阿贝误差、俯仰—阿贝误差、滚转—阿贝误差模型；

步骤四：分析机床三个运动轴存在的几何误差、垂直度误差；

步骤五：分析测头系统存在的安装误差与热误差及测量过程存在的动态误差；

步骤六：基于热变形临界点理论安装光栅测量系统，建立其零点漂移误差和示值误差模型；

步骤七：为了方便雅可比矩阵的构造，将传统建模方法中的工件运动链、测头运动链合并成沿单一方向传递的运动链