一种数控机床导轨五自由度几何运动误差的测量方法

1.本发明涉及数控机床误差检测技术领域，特别涉及一种数控机床导轨五自由度几何运动误差的测量方法。


背景技术：

2.空间物体有六个自由度，分别为x、y、z方向的直线运动的自由度和绕x、y、z三轴的旋转自由度，因此，数控机床的导轨就包括六项运动误差，即三项直线误差和三项角度误差，三项直线误差包括定位误差、水平直线度和竖直直线度，三项角度误差包括偏摆角、俯仰角和滚转角。
3.目前，对于数控机床导轨几何运动的误差测量方法有单项几何误差测量方法(cn202111026242.4，一种基于双球杆仪的机床几何误差分离方法)和综合几何误差测量(cn201721045299.8，基于在机检测的数控机床综合误差测量系统)两种。单项几何误差测量方法针对六维几何误差中的其中一项进行单独测量，每一项几何误差，都需要不同的测量仪器，如基于激光干涉仪的定位误差的测量，基于平尺、自准直仪的直线度测量，基于自准直仪、水平仪等角度误差的测量等，这种测量方法简单，但是耗时长，每次只能得到六维误差中的一项误差，测量效率低下。综合几何误差是对机床导轨六维误差进行整体测量，再通过对整体测量数据进行数据处理，分析求解，得到六维误差，这种方法可以提高测量效率，但是求解算法往往比较复杂。
4.针对上述技术问题，需要设计一种新的数控机床导轨几何运动误差的测量方法，满足同时测量导轨的多项误差且结构算法简单的设计要求。


技术实现要素：

5.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导轨五自由度几何运动误差的测量方法，可以有效快捷的得到三项角度误差和两项直线误差。
6.为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.一种数控机床导轨五自由度几何运动误差的测量方法，包括以下步骤：
8.1)测量前，在数控机床导轨上找出任意不共线的三个固定点a、b、c，导轨横截面设定参考坐标系，确定三个固定点的二维坐标，三个固定点依次连接，构成三角形abc，以ab为底边，确定三角形abc的高，定义为l，以bc边为底边，确定三角形abc的高，定义为h；
9.2)测量时，数控机床导轨运动一段距离后，三个固定点运动至a1、b1、c1，以上述步骤1)参考坐标系为基准，确定运动后三个点的二维坐标，三个点依次连接，构成新的三角形a1b1c1，以a1b1为底边，确定三角形a1b1c1的高，定义为l1；以b1c1为底边，确定三角形a1b1c1的高，定义为h1；
10.3)求解滚转角、偏摆角、俯仰角三项角度误差；
11.4)对所有采样位置重复步骤2)至步骤3)，得到整个数控机床导轨所有位置三项角度误差的分布；
12.5)依据测量前三角形abc的三点坐标，与数控机床导轨移动后发生形变的三角形a1b1c1的三点坐标，二维平面内，x方向与y方向的偏移量即为数控机床导轨的水平直线度误差和竖直直线度误差。
13.所述的步骤3)求解滚转角、偏摆角、俯仰角三项角度误差具体为：
14.3.1)三角形abc的高h与三角形a1b1c1的高h1之间的夹角为滚转角α；
15.3.2)三角形abc的高l绕y轴旋转至三角形a1b1c1的高l1，与l1重合，旋转角即为偏摆角β；
16.3.3)三角形abc的高h绕x轴旋转至三角形a1b1c1的高h1，与h1重合，旋转角即为俯仰角γ。
17.所述的步骤1)中数控机床导轨移动前点a、b、c以及数控机床导轨移动后点a1、b1、c1采用以下方式获取：
18.在点a、b、c三个位置，对应布置三个四象限探测器，通过光源对点a、b、c三个位置进行投射，对应位置的四象限探测器上会出现光斑，数控机床导轨在移动后，光斑会在四象限探测器上的光敏面发生位置偏移δx、δy，结合四象限探测器光电转化原理，获取点a1、b1、c1相对四象限探测器中心的偏移量；
19.数控机床导轨移动前，点a、b、c进行提前标定，建立上述步骤1)中的参考坐标系，自行定义，获取点a、b、c的二维坐标；数控机床导轨移动后，结合四象限探测器获得三个位置的偏移量，将其统一于步骤1)所述的参考坐标系中，获取点a1、b1、c1的二维坐标。
20.和现有技术相比，本发明的有益效果：
21.由于本发明采取激光投射结合光电传感器光电转化原理，可以同时测量导轨的水平、竖直直线度误差、滚转角误差、偏摆角误差和俯仰角误差，实现了导轨多项误差的同时测量；本发明通过测量数控机床导轨三个固定点的二维坐标，构成三角形，利用基准三角形定义的高与运动后三角形的高，求解出数控机床导轨的三项角度误差；整个求解过程只需要简单的解析几何知识，方法简单可靠，相对于采用仪器进行单项几何误差的测量方法，该方法具有测量效率高的优点；相对于现有技术同时测量多项误差的测量方法，该方法具有光路结构简单和求解算法简单的优点。
附图说明
22.图1为本发明数控机床导轨六维误差示意图。
23.图2为本发明数控机床导轨滚转角误差测量原理图。
24.图3为本发明数控机床导轨偏摆角误差测量原理图。
25.图4为本发明数控机床导轨俯仰角误差测量原理图。
26.图5为本发明四象限探测器测量原理图。
具体实施方式
27.下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细介绍。
28.一种数控机床导轨五自由度几何运动误差的测量方法，包括以下步骤：
29.1)测量前，在数控机床导轨上找出任意不共线的三个固定点a、b、c，数控机床导轨横截面设定参考坐标系，确定三个固定点的二维坐标，三个固定点依次连接，构成直角三角
形abc，以ab为底边，确定三角形abc的高，定义为l，以bc边为底边，确定其三角形abc的高，定义为h；
30.2)测量时，数控机床导轨运动一段距离后，三个固定点运动至a1、b1、c1，以上述步骤1)参考坐标系为基准，确定运动后三个点的二维坐标，三个点依次连接，构成新的直角三角形a1b1c1，以a1b1为底边，确定三角形a1b1c1的高，定义为l1；以b1c1为底边，确定三角形a1b1c1的高，定义为h1；
31.3)求解滚转角、偏摆角、俯仰角三项角度误差，具体为：
32.3.1)参照图1和图2，测量前直角三角形abc的高为h，数控机床导轨移动一段距离后，由于数控机床导轨滚转角误差的存在，数控机床导轨z向偏转，测量时，直角三角形abc发生形变，转变为直角三角形a1b1c1，直角三角形a1b1c1高为h1，则h与h1之间的夹角即为滚转角α；
33.可得下式：
[0034][0035]
3.2)参照图1和图3，测量前直角三角形abc的高l，数控机床导轨移动一段距离后，由于数控机床导轨偏摆角误差的存在，数控机床导轨y向偏转，测量时，直角三角形abc发生形变，转变为直角三角形a1b1c1，直角三角形a1b1c1高为l1，则直角三角形abc的高l绕y轴旋转至与a1b1c1的高l1重合，旋转角即为偏摆角β；
[0036]
可得下式：
[0037][0038]
3.3)参照图1和图4，测量前直角三角形abc的高h，数控机床导轨移动一段距离后，由于数控机床导轨俯仰角误差的存在，数控机床导轨x向偏转，测量时，直角三角形abc发生形变，转变为直角三角形a1b1c1，直角三角形a1b1c1高为h1，则直角三角形abc的高h绕x轴旋转至与a1b1c1的高h1重合，旋转角即为俯仰角γ；
[0039]
可得下式：
[0040][0041]
4)对所有采样位置重复步骤2)至步骤3)，得到整个数控机床导轨所有位置三项角度误差的分布；
[0042]
5)参照图1，根据机床在运动过程中构成空间向量方向的改变仅与机床轴的角位移误差有关，而与线性位移误差无关这一特性，依据测量前直角三角形abc的三点坐标，与数控机床导轨移动一段距离后，发生形变的直角三角形a1b1c1的三点坐标，二维平面内，x方向与y方向的偏移量即为导轨的水平直线度误差和竖直直线度误差；至此，可以得到数控机床导轨几何运动误差中的五项误差，滚转角、偏摆角、俯仰角、水平直线度误差和竖直直线度误差。
[0043]
步骤1)中数控机床导轨移动前点a、b、c以及移动后点a1、b1、c1采用以下方式获取：
[0044]
参照图5，在点a、b、c三个位置，对应布置三个四象限探测器，选择半导体激光器作
为光源，对点a、b、c三个位置进行投射，对应位置的四象限探测器上会出现光斑，数控机床导轨在移动的过程中，由于几何运动误差的存在，光斑会在四象限探测器上的光敏面发生位置偏移δx、δy，结合四象限探测器光电转化原理，便可以获取点a1、b1、c1相对四象限探测器中心的偏移量；
[0045]
数控机床导轨移动前，点a、b、c进行提前标定，建立上述步骤1)中的参考坐标系，可自行定义，便可获取点a、b、c的二维坐标；
[0046]
数控机床导轨移动后，结合四象限探测器获得三个位置的偏移量，将其统一于步骤1)所述的参考坐标系中，便可以获取点a1、b1、c1的二维坐标；至此，便可以获取数控机床导轨移动前后，研究点a、b、c、a1、b1、c1的二维坐标。
[0047]
本实施例的有益效果：采用激光投射结合光电传感器光电转化原理，实现了数控机床导轨五项几何运动误差的测量，三个光电传感器上形成的光斑，首尾依次连接，构成平面三角形，采用简单解析几何关系，可以有效快捷的得到三项角度误差和两项直线误差。相对基于激光干涉仪的定位误差的测量，基于平尺、自准直仪的直线度测量，基于自准直仪、水平仪等角度误差的测量等，采用测量仪器进行单项误差的测量，本发明测量效率更高，实现了多项误差的同时测量；对比综合几何误差测量，如基于单一准直激光光束为基准，测量导轨的四项误差，基于激光四束光线，采用四套测量位移测量仪和四象限光电探测器，配合光学镜组，实现了六自由度的测量等，这些方法，成本高，光路结构复杂，因此，这些方法，大多数处于研究和测试阶段，还未投入到实际应用之中，本发明采用三束激光配合三个四象限探测器实现了五项误差的同时测量，相对于上述测量方法，成本更低，且光路结构更加简单，测量效率更高。

技术特征：
1.一种数控机床导轨五自由度几何运动误差的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)测量前，在数控机床导轨上找出任意不共线的三个固定点a、b、c，导轨横截面设定参考坐标系，确定三个固定点的二维坐标，三个固定点依次连接，构成三角形abc，以ab为底边，确定三角形abc的高，定义为l，以bc边为底边，确定三角形abc的高，定义为h；2)测量时，数控机床导轨运动一段距离后，三个固定点运动至a1、b1、c1，以上述步骤1)参考坐标系为基准，确定运动后三个点的二维坐标，三个点依次连接，构成新的三角形a1b1c1，以a1b1为底边，确定三角形a1b1c1的高，定义为l1；以b1c1为底边，确定三角形a1b1c1的高，定义为h1；3)求解滚转角、偏摆角、俯仰角三项角度误差；4)对所有采样位置重复步骤2)至步骤3)，得到整个数控机床导轨所有位置三项角度误差的分布；5)依据测量前三角形abc的三点坐标，与数控机床导轨移动后发生形变的三角形a1b1c1的三点坐标，x方向与y方向的偏移量即为数控机床导轨的水平直线度误差和竖直直线度误差。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3)求解滚转角误差、偏摆角误差、俯仰角误差三项角度误差具体为：2.1)三角形abc的高h与三角形a1b1c1的高h1之间的夹角为滚转角α；2.2)三角形abc的高l绕y轴旋转至三角形a1b1c1的高l1，与l1重合，旋转角即为偏摆角β；2.3)三角形abc的高h绕x轴旋转至三角形a1b1c1的高h1，与h1重合，旋转角即为俯仰角γ。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1)中数控机床导轨移动前后点a、b、c以及点a1、b1、c1采用以下方式获取：在点a、b、c三个位置，对应布置三个四象限探测器，通过光源对点a、b、c三个位置进行投射，对应位置的四象限探测器上会出现光斑，数控机床导轨在移动后，光斑在四象限探测器上的光敏面发生位置偏移δx、δy，结合四象限探测器光电转化原理，获取点a1、b1、c1相对四象限探测器中心的偏移量；数控机床导轨移动前，点a、b、c进行提前标定，建立上述步骤1)中参考坐标系，自行定义，获取点a、b、c的二维坐标；数控机床导轨移动后，结合四象限探测器获得三个位置的偏移量，将其统一于步骤1)所述参考坐标系中，获取点a1、b1、c1的二维坐标。

技术总结
一种数控机床导轨五自由度几何运动误差的测量方法，测量前在导轨上找出任意不共线的三个固定点，导轨横截面设定参考坐标系，三个固定点依次连接构成三角形ABC；测量时数控机床导轨运动一段距离后，三个固定点运动至A1、B1、C1，以参考坐标系为基准，三个点依次连接构成新的三角形A1B1C1；求解滚转角、偏摆角、俯仰角三项角度误差；对所有采样位置重复，得到导轨所有位置三项角度误差的分布；X方向与Y方向的偏移量即为导轨的水平直线度误差和竖直直线度误差；本发明可以有效快捷的得到三项角度误差和两项直线误差。误差和两项直线误差。误差和两项直线误差。


技术研发人员：李海涛 王雅雯 侯苗 于蓬勃 李体仁 刘瑛
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/5