[发明专利]一种五轴数控机床回转轴几何误差检测方法

摘要

本发明一种五轴数控机床回转轴几何误差检测方法属于机床精度检测技术领域，涉及一种五轴数控机床回转轴几何误差检测与辨识方法。检测方法中，利用双目相机采集“回”字形靶标图像信息用于表征回转轴实际运动信息，经过相机标定、图像处理、最终获得特征点三维坐标信息，其运动轨迹表示回转轴上一点的空间运动轨迹。结合机床多体系统理论以及其次坐标变换理论，对回转轴与位置无关的误差PIGE和与回转轴运动位置有关的误差PDGE进行辨识与测量。该方法有效的解决了机床回转轴几何误差辨识与检测的问题，测量过程简单快速，测量效率高。测量过程中对机床运行轨迹要求简单，无需其他轴配合，避免引入其他轴联动误差。

主权项

1.一种五轴数控机床回转轴几何误差检测方法，其特征是，利用双目相机作为测量仪器，获取贴在五轴机床回转轴上回字形靶标角点的三维坐标信息，结合机床多体运动模型与齐次坐标变换理论，实现对五轴数控机床回转轴PIGE误差和PDGE误差的辨识与测量；检测方法的具体测量步骤如下：第一步，搭建双目测量装置，并对双目相机进行标定搭建双目测量系统时，双目相机成一定角度固定在五轴机床Z轴(1)上,其中，左、右相机(2、3)安装时要保证具有合适的公共视场；进行相机标定，双目相机的标定的过程是对每个相机的内参数(αx,αy,μ0,ν0)和两个相机之间的外参数[R,T]进行求解的过程；通常假设世界坐标系OwXwYwZw位于左相机(2)光心处，与左相机(2)的相机坐标系重合；空间点P在左右像平面的像点为pl(ul,vl)、pr(ur,vr)，P点在左右摄像机坐标系下的坐标为(Xcl,Ycl,Zcl)、(Xcr,Ycr,Zcr)，P点在世界坐标系其坐标为Pw(Xw,Yw,Zw)，这些坐标满足坐标转换公式：假设两摄像机的空间位置转换为旋转矩阵R与平移矩阵T，则两摄像机坐标系的坐标转换关系可表示为：结合张氏标定法和标准棋盘格标定板求解出相机的内外参数；第二步，特征点的安装与特征点图像处理将高精度的机床C轴(6)外圆的内接回字形靶标贴在机床C轴(6)上，直接表示机床C轴(6)的运动状态，减少其他误差对机床C轴几何误差测量精度的影响；利用同一回字形靶标上的三个角点获得任意瞬间回转轴的瞬时回转轴线，三个角点组成的平面的法向量方向代表着机床C轴(6)的轴线方向，清晰的表征机床C轴(6)的运动信息；对于相机采集到的图像进行图像降噪，滤波处理后，结合canny边缘算子检测法，利用带阈值的灰度重心法提取回字形靶标的角点，计算公式为：其中，F(x,y)表示图像灰度函数，f(x,y)表示图像灰度，T代表背景阈值；(x₀,y₀)表示所求的灰度重心，m,n表示图像在横、纵方向上所包含的像素的数量；利用带阈值的灰度重心法得到角点的图像坐标；第三步，结合机床多体运动系统理论与齐次坐标变换进行误差辨识机床是一种典型的多体运动系统，与齐次坐标变换建立机床运动模型，结合机床C轴几何误差特性进行误差辨识与测量；机床C轴几何误差分为两类，一类与机床C轴运动位置无关的几何误差PIGE；另一类与机床C轴运动位置有关的几何误差PDGE；其中PIGE是常值误差，PDGE是与机床C轴运动位置有关的变量；利用F表示五轴机床床身运动矩阵，X、Y、Z表示五轴机床的各直线轴运动矩阵，A、C表示两个回转轴运动矩阵；根据多体系统理论和齐次坐标变换理论，当机床不存在几何误差时，机床的理想运动模型为：其中，表示理想运动矩阵Z,F,Y,X,A,C代表相应机床运动轴的运动矩阵，它们相乘的顺序由机床拓扑结构所决定；假设五轴机床只有回转轴存在几何误差时，其他各轴不存在几何误差，对存在几何误差的机床回转轴进行运动建模，EC表示机床C轴几何误差，TC表示机床C轴的理想运动，则其进行运动进行建模为：EC*TC＝(PDGE+PIEG)*Tc   (6)其中，PDGE代表与机床C轴运动位置有关的几何误差表示为：PIGE代表与机床C轴运动位置无关的几何误差表示为T^c代表机床C轴理想回转运动表示为：将机床C轴存在几何误差的运动模型替换公式(5)理想运动模型得到机床的实际运动模型：其中，EC＝PIGE+PDGE，表示机床C轴的实际几何误差；假设在机床C轴局部坐标系中有一点M(X,Y,Z)，其实际运动轨迹与理想运动轨迹之间存在因机床C轴几何误差影响而产生的位置偏差,根据前述方程(5)‑(7)建立实际点偏移量与机床C轴几何误差之间的求解方程：其中，由公式(5)得到，由公式(7)得到，公式(7)中的变量A是常值，在测量机床C轴误差时，机床A轴在其初始位置，故变量A选为0；而X、Y、Z是与各局部坐标系建立位置有关的常量；M点的理论坐标通过机床C轴局部坐标系与理论运动模型获得，其实际点M’通过相机测量获得；利用方程(8)和已知的特征点理论值与实际值求解出全部10项误差；以上完成了五轴机床C轴几何误差的分析，包括PIGE误差4项，PDGE误差6项。