[发明专利]一种五轴联动机床旋转轴的几何误差连续测量方法

权利要求书

1.一种五轴联动机床旋转轴的几何误差连续测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在所述五轴联动机床的主轴上安装激光位移传感器并进行调试；在所述五轴联动机床的回转式工作台上安装三个不共线的标定球，其中，待测的五轴联动机床旋转轴包括摆动轴A和回转轴C，所述摆动轴A与所述五轴联动机床的X直线轴平行，所述回转轴C与所述五轴联动机床的Z直线轴平行，所述摆动轴A控制所述五轴联动机床的摇篮式摆动台的摆动，所述回转轴C控制所述五轴联动机床的回转式工作台的转动；所述三个不共线的标定球采用如下方式进行安装：将所述三个标定球分别安装于所述回转式工作台上使各球的球杆垂直于回转式工作台的上表面，其中，各球的球心到回转式工作台上表面的距离等于摆动轴A的轴线到回转式工作台上表面的距离；此外，所述三个标定球的球心分别位于一等边三角形的三个顶点上，该等边三角形以所述摆动轴A的轴线与回转轴C的轴线的交点为中心，且其边长等于所述回转式工作台台面半径的1.5倍；以所述五轴联动机床的坐标系为基准，设定所述标定球的齐次坐标表达式；所述标定球的齐次坐标表达式采用如下方式设定：令P(A_i,C_j,k)代表第k个标定球球心在机床坐标系中的坐标，其中k＝1、2、3，i、j分别为摆动轴A和回转轴C在扫描过程中的采样点个数；将所述摆动轴A和回转轴C旋转至零位置，用所述激光位移传感器从Z方向扫描三个标定球的球面，进而获得三个标定球的球心在机床坐标系中的初始位置P(0,0,1)、P(0,0,2)、P(0,0,3)；计算经过上述三个初始位置的圆的圆心坐标O，设定O为新坐标系原点，令第k个标定球的球心在新坐标系下的齐次坐标表达式为：

Mk=mx(k)my(k)mz(k)1;]]>

(2)以所述摆动轴A为标定轴，利用所述激光位移传感器测量所述摆动轴A在不同转角时，所述各标定球圆心在X、Y、Z方向上的位置偏差：

(2.1)旋转摆动轴A和回转轴C至0°，以标定球k为扫描对象，使

所述激光位移传感器的光束定位于所述标定球的球心坐标系点处，其中R为标定球的半径，读取所述激光位移传感器的扫描值L_A1(0,0,k)；然后使摆动轴A从90°旋转至-90°，在旋转过程中，读取所述激光位移传感器的扫描值序列L_A1(i,0,k)；令△x_A(i，0，k)、△y_A(i，0，k)、△z_A(i,0,k)分别表示标定球k的球心在A＝A_i、C＝0°时，相对于初始位置A＝0°、C＝0°在X、Y、Z方向上的偏移，获得如下方程：

-Δx_A(i,0,k)+Δy_A(i,0,k)-Δz_A(i,0,k)＝L_A1(i,0,k)-L_A1(0,0,k)；

(2.2)再次旋转摆动轴A至0°，以标定球k为扫描对象，使所述激光位移传感器的光束定位于球心坐标系(0,0,R)点处，读取所述激光位移传感器的扫描值L_A2(0,0,k)；然后使摆动轴A从90°旋转至-90°，在旋转过程中，读取所述激光位移传感器的扫描值序列L_A2(i,0,k)，获得如下方程：

-Δz_A(i,0,k)＝L_A2(i,0,k)-L_A2(0,0,k)；

(2.3)再次旋转摆动轴A至0°，以标定球k为扫描对象，使所述激光位移传感器的光束定位于球心坐标系(-Rcos45°,0,Rcos45°)点处，读取所述激光位移传感器的扫描值L_A3(0,0,k)；然后使摆动轴A从90°旋转至-90°，在旋转过程中，读取所述激光位移传感器的扫描值序列L_A3(i,0,k)，获得如下方程：Δx_A(i,0,k)-Δz_A(i,0,k)＝L_A3(i,0,k)-L_A3(0,0,k)；

(2.4)根据步骤(2.1)-(2.3)中获得的方程求得△x_A(i,0,k)、△y_A(i,0,k)、△z_A(i,0,k)：

ΔxA(i,0,k)=LA3(i,0,k)-LA3(0,0,k)+LA2(0,0,k)-LA2(i,0,k)ΔyA(i,0,k)=LA1(i,0,k)-LA1(0,0,k)+LA3(i,0,k)-LA3(0,0,k)+2LA2(0,0,k)-2LA2(i,0,k)ΔzA(i,0,k)=LA2(0,0,k)-LA2(i,0,k);]]>

(3)以所述回转轴C为标定轴，利用所述激光位移传感器测量所述回转轴C在不同转角时，所述各标定球圆心在X、Y、Z方向上的位置偏差：

(3.1)旋转摆动轴A和回转轴C至0°，以标定球k为扫描对象，使所述激光位移传感器的光束定位于所述标定球的球心坐标系点处，其中R为标定球的半径，读取所述激光位移传感器的扫描值L_C1(0,0,k)；然后使回转轴C从0°旋转至360°，在旋转过程中，读取所述激光位移传感器的扫描值序列L_C1(0,j,k)；令△x_C(0,j,k)、△y_C(0,j,k)、△z_C(0,j,k)分别表示标定球k的球心在C＝C_j、A＝0°时，相对于初始位置C＝0°、A＝0°在X、Y、Z方向上的偏移，获得如下方程：-Δx_C(0,j,k)+Δy_C(0,j,k)-Δz_C(0,j,k)＝L_C1(0,j,k)-L_C1(0,0,k)；

(3.2)再次旋转回转轴C至0°，以标定球k为扫描对象，使所述激光位移传感器的光束定位于球心坐标系(Rcos45°,0,Rcos45°)点处，读取所述激光位移传感器的扫描值L_C2(0,0,k)；然后使回转轴C从0°旋转至360°，在旋转过程中，读取所述激光位移传感器的扫描值序列L_C2(0,j,k)，获得如下方程：-Δx_C(0,j,k)-Δz_C(0,j,k)＝L_C2(0,j,k)-L_C2(0,0,k)；

(3.3)再次旋转回转轴C至0°，以标定球k为扫描对象，使所述激光位移传感器的光束定位于球心坐标系(0,0,R)点处，读取所述激光位移传感器的扫描值L_C3(0,0,k)；然后使回转轴C从0°旋转至360°，在旋转过程中，读取所述激光位移传感器的扫描值序列L_C3(0,j,k)，获得如下方程：-Δz_C(0,j,k)＝L_C3(0,j,k)-L_C3(0,0,k)；

(3.4)根据步骤(3.1)-(3.3)中获得的方程求得△x_C(0,j,k)、△y_C(0,j,k)、△z_C(0,j,k)：

ΔxC(0,j,k)=LC2(0,0,k)-LC2(0,j,k)-LC3(0,0,k)+LC3(0,j,k)ΔyC(0,j,k)=LC2(0,0,k)-LC2(0,j,k)-LC3(0,0,k)+LC3(0,j,k)+LC3(0,0,k)-LC3(0,j,k)LC1(0,j,k)-LC1(0,0,k)ΔzC(0,j,k)=LC3(0,0,k)-LC3(0,j,k);]]>

(4)根据步骤(2)和(3)获得的测量结果，并结合所述标定球的齐次坐标表达式，计算获得所述摆动轴A和回转轴C的几何误差值，以此方式，完成五轴联动机床旋转轴的几何误差的连续测量；

所述摆动轴A的几何误差值具体采用如下方式进行计算：

(4.1)令^YE_A为摆动轴A坐标系到五轴联动机床的Y轴坐标系的齐次坐标变换矩阵，则

EYA=1-γAY(Ai)βAY(Ai)δxAY(Ai)γAY(Ai)1-αAY(Ai)δyAY(Ai)-βAY(Ai)αAY(Ai)1δzAY(Ai)0000;]]>

(4.2)令D_Ai表示绕机床坐标系X轴的旋转矩阵，则

DAi=10000cos(Ai)-sin(Ai)00sin(Ai)cos(Ai)00001;]]>

(4.3)以五轴联动机床空间几何误差模型为依据，获得如下矩阵方程：采用式所示的最小二乘法求解所述矩阵方程最终求得所述摆动轴A的几何误差参数值；

所述回转轴C的几何误差值具体采用如下方式进行计算：

(5.1)令^AE_C为回转轴C坐标系到五轴联动机床A轴坐标系的齐次坐标变换矩阵，则

EAC=1γCA(Cj)βCA(Cj)δxCA(Cj)γCA(Cj)1-αCA(Cj)δyCA(Cj)-βCA(Cj)αCA(Cj)1δzCA(Cj)0001;]]>

(5.2)令D_Cj表示绕机床坐标系Z轴的旋转矩阵，则

DCj=cos(Cj)-sin(Cj)00sin(Cj)cos(Cj)0000100001;]]>

(5.3)以五轴联动机床空间几何误差模型为依据，获得如下矩阵方程：采用如式所示的最小二乘法求解矩阵方程最终求得所述回转轴C的几何误差参数值，其中α_AY(A_i)为A轴绕X方向的角度误差，β_AY(A_i)为A轴绕Y方向的角度误差，γ_AY(A_i)为A轴绕Z方向的角度误差，δ_xAY(A_i)为A轴在X方向的线性偏差，δ_yAY(A_i)为A轴在Y方向的线性偏差，δ_zAY(A_i)为A轴在Z方向的线性偏差，α_CA(C_j)为C轴绕X方向的角度误差，β_CA(C_j)为C轴绕Y方向的角度误差，γ_CA(C_j)为C轴绕Z方向的角度误差，δ_xCA(C_j)为C轴在X方向的线性偏差，δ_yCA(C_j)为C轴在Y方向的线性偏差，δ_zCA(C_j)为C轴在Z方向的线性偏差。