[发明专利]一种基于球杆仪测量的机床平动轴位置相关误差辨识方法

说明书

本发明公开了一种基于球杆仪测量的机床平动轴位置相关误差辨识方法，包括以下步骤：分别建立球杆仪的刀具球中心在XY、XZ、YZ平面运动的综合误差模型；在XY、YZ、XZ三个平面进行球杆仪测量，获得各个圆弧位置处的球杆仪杆长变化量；对X、Y、Z轴的位置相关误差进行非整指数多项式预拟合，结合各平面的综合误差模型求解非整指数多项式的各项系数，实现位置相关误差的辨识。该发明方法测量精度高，操作简便快速，成本低并且可以准确辨识出数控机床平动轴位置相关误差。

技术领域

本发明属于机床误差测量领域，涉及一种基于球杆仪测量的机床平动轴位置相关误差辨识方法。

技术背景

随着科学技术的进步，现代加工技术向着高速和精密化方向发展，如何提高数控机床加工精度已经成为广受关注的关键技术。目前提高数控机床精度主要有两种方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法虽然能减小原始误差，但依靠提高机床设计、制造和装配精度来满足机床的精度有很大的局限性，且成本很高。误差补偿法通过对误差进行补偿可以显著提高机床精度，还可以降低成本，因此被广泛应用。

对数控机床误差进行补偿，首先要对机床误差进行建模、测量和辨识。常用的数控机床误差测量工具有激光干涉仪和球杆仪。用激光干涉仪测量辨识平动轴位置相关误差比较经典的方法之一为九线法，即使机床分别沿着互相垂直的三个方向上作平移运动，利用9条线上的定位误差和直线度误差来解耦平动轴的所有位置相关误差，类似的方法还有12线法。但是使用激光干涉仪进行误差测量，停机时间长，安装调试困难，需要较强的专业技能，且成本昂贵。球杆仪操作简单，且成本较低，因此被广泛应用与数控机床误差测量。

现有的球杆仪测量方法在测量数控机床平动轴位置相关误差时，只能得到平动轴的综合误差，难以直接得到各轴的单项位置相关误差，因此需要对综合误差进行辨识。采用多项式对位置相关进行预拟合，通过求解多项式系数间接代替直接求解误差是一种可行的位置相关误差辨识方法，但常规多项式在求解时会存在线性相关项，进而使得无法完全求解。

发明内容

针对上述平动轴误差测量辨识困难等问题，本发明提出一种基于球杆仪测量的机床平动轴位置相关误差辨识方法，适用于数控机床平动轴误差测量与补偿。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于球杆仪测量的机床平动轴位置相关误差辨识方法，包括以下步骤：

1)基于齐次坐标变换分别建立球杆仪刀具球中心在XY、XZ、YZ平面运动的综合模型；

2)分别在XY、XZ、YZ三个平面进行球杆仪测量，获得各个位置处的球杆仪杆长变化量；

3)用非整指数的多项式对X、Y、Z三个轴的位置相关误差进行预拟合，将所有预拟合的位置相关误差代入步骤1)建立的综合误差模型，结合步骤2)测得的球杆仪杆长变化量，进行超定方程的求解，得到预拟合多项式的系数；

4)将步骤3)求解得到的多项式系数分别代入各个位置相关误差的预拟合多项式中，得到位置相关误差与位置的关系表达式，实现位置相关误差的辨识。

作为本发明的一种优选方案，步骤1)中根据齐次坐标变换建立球杆仪刀具球的中心在XY、XZ、YZ平面运动的误差综合模型，并忽略部分高阶小量，获得综合误差在各坐标轴上的误差分量：

XY平面：