[发明专利]机床单轴运动的几何误差的检测设备及其检测方法

权利要求书

1.机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，包括处理器、激光干涉仪、干涉镜组、反射镜组、用于安装干涉镜组的支架以及用于安装在机床单轴上的固定平台，所述固定平台下部水平地设有滑动导轨，所述滑动导轨上设有垂直于滑动导轨且可沿滑动导轨滑动的Y向导轨，所述Y向导轨上设有垂直于Y向导轨且可沿Y向导轨滑动的X向导轨，所述X向导轨上设有垂直于X向导轨且可沿X向导轨滑动的Z向滑动平台；

所述固定平台上设有第一光栅尺，所述Y向导轨上设有第二光栅尺，所述X向导轨上设有第三光栅尺，所述第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺均与处理器连接，所述反射镜组安装在Z向滑动平台上；

所述激光干涉仪发出的激光束被干涉镜组一分为二，其中一部分光束通过干涉镜组后照射到反射镜组上并被反射镜组反射回干涉镜组后从干涉镜组透射返回到激光干涉仪，另一部分光束直接经干涉镜组反射后返回到激光干涉仪。

2.根据权利要求1所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，所述干涉镜组包括分束器、第一反射镜和第二反射镜，所述反射镜组包括第三反射镜和第四反射镜，所述激光干涉仪发出的激光束被分束器一分为二，其中一部分光束通过分束器后照射到第三反射镜上并依次经第三反射镜和第四反射镜反射后返回分束器并透射返回到激光干涉仪，另一部分光束依次经第一反射镜和第二反射镜反射后返回分束器并透射返回到激光干涉仪。

3.根据权利要求1所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，所述X向导轨的侧面设有限位机构。

4.根据权利要求1所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备，其特征在于，所述滑动导轨的数量为两个，该两个滑动导轨平行地设置。

5.采用权利要求1-4中任一项所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法，其特征在于，包括：

S1、以滑动导轨所在方向为X轴，X向导轨所在方向为Y轴，Y向导轨所在方向为Z轴，建立空间坐标系后，选定空间坐标系的原点后，驱动机床单轴沿Y轴方向运动；

S2、通过调节X向导轨、Y向导轨和Z向滑动平台使得反射镜组位于三个不同位置，同时在每个位置均驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，在运动过程中采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集反射镜组的实时位置数据；

S3、根据第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集的反射镜组的实时位置数据，计算位置误差敏感度矩阵，进而获得位置误差敏感度矩阵的最小值对应的三个测量点处反射镜组的实时位置数据后，结合激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据计算获得机床单轴运动的六项几何误差。

6.根据权利要求5所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：

S21、沿线1进行测量：将Y向导轨调节到X向导轨的一侧，同时将Z向滑动平台调节到Y向导轨的最低点，维持反射镜组在Y、Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集反射镜组的实时位置数据；

S22、沿线2进行测量：将Z向滑动平台调节到Y向导轨的最高点后，继续维持反射镜组在Y、Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集反射镜组的实时位置数据；

S23、沿线3进行测量：将Y向导轨调节到X向导轨的另一侧后，继续维持反射镜组在Y、Z轴方向不动，驱动机床沿X轴移动使得反射镜组沿X轴作直线运动，整个过程中采用激光干涉仪采集机床单轴的实时误差数据，并采用第一光栅尺、第二光栅尺及第三光栅尺采集反射镜组的实时位置数据。

7.根据权利要求6所述的机床单轴运动的几何误差的检测设备的检测方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：

S31、在线1、线2及线3上各选择任一测量点后获取其对应的反射镜组的实时位置数据，进而按照下式求解位置误差敏感度矩阵：

S=[Ex]-1000001=A×-(-z1×y2+y1×z2)-z1×x2+x1×z2-(-y1×x2+x1×y2)(-x2+x1)(-y2+y1)(-z2+z1)]]>

上式中，A=1(y1×z2+(z1-z2)×y3+z3×y2-z3×y1-z1×y2),]]>(X₁,Y₁,Z₁)，(X₂,Y₂,Z₂)，(X₃,Y₃,Z₃)依次为反射镜组在所选择的线1、线2及线3的测量点上的实时位置数据；

S32、重复执行步骤S31直到执行预设迭代计算次数后，获取位置误差敏感度矩阵的最小值，进而获得其对应的线1、线2及线3的测量点处反射镜组的实时位置数据后，代入下式计算机床单轴运动的六项几何误差：

{Δ(X)}＝[E_x]{δ_x}

上式中，{Δ(X)}＝[Δx₁(X)Δy₁(X)Δz₁(X)Δx₂(X)Δy₂(X)Δx₃(X)]^T，{δ_X}＝[δ_X(X)δ_Y(X)δ_Z(X)ε_X(X)ε_Y(X)ε_Z(X)]^T，E_X的表达式如下：

[Ex]=1000Z1-Y1010-Z10X1001Y1-X101000Z2-Y2010-Z20X21000Z3-Y3]]>

其中，Δx₁(X)、Δy₁(X)及Δz₁(X)依次表示激光干涉仪采集的线1的机床单轴的实时误差数据中的X轴数据、Y轴数据及Z轴数据，Δx₂(X)及Δy₂(X)分别表示激光干涉仪采集的线2的机床单轴的实时误差数据中的X轴数据及Y轴数据，Δx₃(X)表示激光干涉仪采集的线3的机床单轴的实时误差数据中的X轴数据；

δ_X(X)、δ_Y(X)、δ_Z(X)、ε_X(x)、ε_Y(x)及ε_Z(x)分别表示机床单轴运动的六项几何误差，其中δ_X(X)表示机床沿X轴运动时在X轴方向的定位误差，δ_Y(X)表示机床沿X轴运动时在Y轴方向的位移误差，δ_Z(X)表示机床沿X轴运动时在Z轴方向的位移误差，ε_X(x)表示机床沿X轴运动时在X轴方向的滚摆误差，ε_Y(x)表示机床沿X轴运动时在Y轴方向的扭摆误差，ε_Z(x)表示机床沿X轴运动时在Z轴方向的旋转误差。