[发明专利]基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于多轴系统检测领域，具体讲，涉及基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量装置和方法。

技术背景

随着现代科学技术的迅速发展，多轴数控机床、三坐标测量机、多轴位移台、多轴机械手等多轴系统已被广泛运用于工业生产、工业检测等多个领域。伴随现代工业向高精度、多元化的不断发展，提高多轴系统精度意义重大。多轴数控机床是多轴系统的典型代表，下面以多轴数控机床为例叙述本发明的背景技术。

作为制造技术的基础和核心，数控机床的精度直接关系着机床所加工出的产品精度。其中，机床的几何误差是影响机床精度的主要误差之一，占机床总误差源的30%以上，所以减小机床的几何误差对提高机床的加工精度具有极其重要的意义。

目前提高机床的精度的方法一般是先测量出机床各项误差，再利用相应的误差补偿方式对机床各项误差进行补偿。机床误差补偿的方法不仅可以大幅度提高机床精度而且成本低廉、操作简单。该方法很好的解决了单纯地从提高机床零部件精度和机床装配精度上来提高机床精度造成的提升精度等级有限和成本高昂等问题。国内外很多学者也就此问题开展了深入研究。1983年W.Knapp发明的基准圆盘——双向微位移计测头法，可以用装夹在主轴端的二维微位移计扫划处在双向工作台上基准圆板的外周面或内周面来获得圆弧插补运动运动轨迹。1994年日本的奥山繁树发明的全周电容——圆球法，由装夹在主轴上的钢球绕固定在双向工作台上的另一钢球回转而作圆插补运动，使用两钢球作为电容的两极，可以根据两钢球间的间隙的变化来检测圆插补运动的轨迹误差。2000年韩国的朴喜载等提出了球杆法评定机床三维空间误差技术，而且随着球杆仪的产品化，球杆法的使用也越来越成熟。但是以上所使用的机械测量方法都是利用机床各个运动轴配合做圆插补运动测量机床误差，测量之前的测量装置装配调试复杂，而且测量范围有限，只能测量得到机床一部分误差并不能实现对机床几何误差的综合测量。随着激光技术的不断发展，有学者提出基于双频激光干涉仪的机床误差检测和补偿的方法。目前，比较成熟的有9线法、12线法、14线法、15线法、22线法和空间体对角线法等。9线法、12线法、14线法、15线法、22线测量机床误差时需要不断改变激光干涉仪的位置，调试时间长，耗费时间，而且除9线法外的其它方法算法复杂，导致其应用不广泛。空间体对角线法由于测量方法简便，能测量机床的各项几何误差，已经成为了机床误差测量的基准之一。虽然空间体对角线法大大提高了机床误差测量的精度，但激光干涉仪和其配套装置成本昂贵，机床生产厂家和机床使用厂家难以支付如此昂贵的测量费用，测量时也需要根据不同的测量对象更换测量反射镜，使用复杂，耗费时间，影响机床的正常生产加工。

综上所述，经过多年的发展与探索，目前的机床误差测量和补偿技术已向着小型化、高精密化、全面化的方向发展。传统的测量方法虽然测量成本低廉，但是测量装置的安装和调试复杂，增加了机床几何误差测量的时间，影响机床的正常生产加工，而且测量精度较低，更不能实现机床几何误差的综合测量。新式的利用双频激光干涉仪测量机床几何误差，虽然测量精度高，也能通过相应的建模方式得到机床的各项几何误差，但是激光干涉仪和其配套装置成本昂贵，限制了其大规模的推广应用。

随着近年来光学自由曲面的设计和制造技术的发展，光学自由曲面在成像、照明、测量等各个领域得到了广泛的运用，成为当前国际上研究热点之一。利用光学自由曲面形状可根据实际应用需要任意设计的特点，光学自由曲面可实现其它诸如平面和球面等面型不能实现的功能。如日本学者高伟教授利用双正弦自由曲面实现了二维位移的高精度测量。本发明充分发挥光学自由曲面的优势，通过对光学自由曲面形状的优化设计，将其作为误差测量的标准件，实现对以多轴数控机床为代表的多轴系统几何误差的快速、高精度测量。

发明内容