[发明专利]一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法

摘要

一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法，采用猫眼以及可回转的猫眼托架可快速完成激光跟踪仪基站空间坐标的高精度标定，标定精度排除了机床系统误差的影响；采用一台激光跟踪仪、猫眼以及可回转的猫眼托架先后在四个不同检测位置对机床单个旋转轴三个固定点绕轴心线旋转运动进行测量，通过三个固定点在空间连续运动的轨迹，计算旋转轴的实时位姿，最后辨识出机床旋转轴的各项误差，由于测量运动轴的实时位姿，所获取的机床信息丰富，所以误差辨识算法也非常简单，适于快速数据处理与机床误差快速补偿；本发明具有成本低、精度高、操作快速简单、测量信息丰富等优点，适合于数控机床领域的精度检测。

主权项

一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法，其特征在于，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。