[发明专利]基于一维测头与标准球的机床几何误差测量方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于一维测头与标准球的机床几何误差测量方法及系统，该方法包括：S1：根据数控机床的类型，在数控机床上设置多个位置点的标准球，利用竖直方向上的一维测头测量数控机床上每个标准球球心的三维偏移量；S2：基于数控机床几何误差模型，根据步骤S1获得的多个位置点的标准球球心的三维偏移量得到数控机床的与位置有关的几何误差。与现有技术相比，本发明利用一维测头测量由于机床几何误差引起的标准球球心偏差，并以测量值作为坐标参照，有效避免了机载测头由于机床精度下降而失效的问题，同时测头在测量过程中不受几何约束，有效降低测头运动轨迹的数控编程难度，消除了由于运动轨迹的错误造成的测量系统损坏风险。

技术领域

本发明涉及数控机床几何误差测量领域，尤其是涉及一种基于一维测头与标准球的机床几何误差测量方法及系统。

背景技术

数控机床的几何精度是衡量机床加工精度的关键指标。为提高机床的加工精度，误差补偿方式以其经济且有效的特性得到广泛运用与研究。对数控机床的误差测量与辨识，从而获取几何误差的空间分布，是实施误差补偿关键步骤。现有几何误差测量方法主要分为直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法主要使用激光干涉仪、激光追踪仪等精密测量仪器对几何误差进行直接测量，不过仪器价格昂贵，使用和调整较为困难。间接测量法则通过测量由几何误差引起的综合误差值，进而运用数学模型辨识几何误差，对测量仪器的要求大为降低，是数控机床几何误差测量和辨识的重要途径。

在间接测量中，通常通过构建专用的测量系统进行数控机床几何误差测量和识别。在现有间接测量方法中，主要分为两类。第一类是基于精密测头与标准球构成的测量系统是测量和辨识几何误差的重要途径，通过获取标准球的球心偏差，进而辨识机床的几何误差。这类方法中主要有，然而这类测量方法使用的测量工具，如3D测头、4D测头和球杆仪等，由于其测量过程满足测头与标准球间的几何约束、需多轴联动的测量轨迹，而且使用过程中存在由于编程轨迹错误导致测头损坏的风险。而第二类是基于机载测头的测量系统，这类通过机载测头的触发精密开关实现标准球球心空间坐标的获取，测头运动轨迹不受几何约束，测量效率高。但由于机载测头使用的是机床内部坐标，随着机床的使用，其内部坐标精度下降，使用机载测头方式获得的误差精度必将受之影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于一维测头与标准球的机床几何误差测量方法及系统，利用一维测头取代机载测头的精密触发开关，实现标准球球心偏差的测量与辨识，测得的多位置的标准球实际球心三维位置偏差通过机床的几何误差模型，还可辨识得出数控机床直线轴或旋转轴的几何误差。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于一维测头与标准球的机床几何误差测量方法，包括以下步骤：

S1：根据数控机床的类型，在数控机床上设置多个位置点的标准球，利用竖直方向上的一维测头测量数控机床上每个标准球球心的三维偏移量；

S2：基于数控机床几何误差模型，根据步骤S1获得的多个位置点的标准球球心的三维偏移量得到数控机床的与位置有关的几何误差；

所述步骤S1中标准球的球心三维偏差测量方法为：

101：以标准球的球心为原点，建立标准球坐标系O-XYZ，设置标准球球面上测点位置及数目，并根据一维测头在标准球上测点位置的几何关系，得到一维测头的测量值与标准球的球心三维偏移量(Δx,Δy,Δz)存在如下映射关系：

ΔL_i＝f_i(Δx,Δy,Δz)

式中，ΔL_i表示第i个测点处的测量值，Δx、Δy、Δz分别对应表示标准球在X、Y、Z轴方向上的球心偏移量；