[发明专利]基于球列实现三轴机床几何误差检测的鉴定方法

权利要求书

1.一种基于球列实现三轴机床几何误差检测的鉴定方法，其特征是，δ表示平移运动误差、ε表示转角运动误差，下标表示平移误差的作用方向或转角误差转动轴的方向，括号内的字母表示平移的方向，机床的21项几何运动误差：

1)沿X、Y、Z轴的定位误差：δ_x(x),δ_y(y),δ_z(z)

2)6个直线度误差：δ_y(x),δ_z(x),δ_x(y),δ_z(y),δ_x(z),δ_y(z)

3)3个滚转角误差：ε_x(x),ε_y(y),ε_z(z)

4)3个的俯仰误差和3个偏摆误差：ε_y(x),ε_z(x),ε_x(y),ε_z(y),ε_x(z),ε_y(z)

5)3个垂直度误差：

将陶瓷球通过连接杆安装在L型基座上，安装后通过多次摆放测量机床的21项几何误差，具体步骤如下：

(一)在制作好L型球列后，先对其进行标定并得到L型球列上各个小球之间的相对坐标关系，在L型球列坐标系中设L球列中心处球心位置坐标为(0,0,0)，用坐标机标定出球列每个球心之间的相对位置，相对位置用每个球在坐标机下的坐标减去中心处球心的坐标(x_i,y_i,z_i)，i＝1～n-1,n为单个球列上球的个数；

(二)正式测量前，使L型球列的X轴尽量与机床的X轴方向平行，L型球列的Y轴与机床Y轴方向相同，在测量过程中保证L型球列固定在机床上，通过三坐标测量机的测头获得L型球列上小球在三坐标机坐标系下的坐标(X_i,Y_i,Z_i)，令L球列中心处球心在三坐标机下的坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，测量出X，Y轴在小球节点处的定位误差、直线度误差、俯仰和偏摆角误差，以及X、Y轴之间的垂直度误差；

(三)保持L型球列与坐标机的方向不变，将球列沿着机床导轨Y方向平行一段距离，平移后每个球列的坐标为：(X′_i,Y′_i,Z′_i)，进而测量出在平移前小球节点处的机床X轴的滚转角误差；

(四)使L型球列的两轴与机床的X、Z轴方向，Y、Z轴方向平行再通过(二)(三)步骤即可测量出机床剩余误差项。

2.如权利要求1所述的基于球列实现三轴机床几何误差检测的鉴定方法，其特征是，其中，利用L球列测量机床各节点的误差后，通过数据处理得到整个X轴向的误差；Y、Z轴误差以此类推；

将L型球列固定在机床工作台上，调整使其X轴与机床X轴平行，Y轴与机床Y轴平行，用坐标机测量球列各球心坐标，测量值与球心距的参考值之差即为机床定位误差，通过直线度公式和球心坐标位置获得球心节点处的直线度误差；

进一步地：

俯仰角和偏摆角的测量：

将球板放置在待测坐标机上，让球列的方向与坐标机x轴方向平行，用待测坐标机测得L型球列X轴方向上每个球心的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，在不考虑安装误差的情况下，三坐标机的偏摆角反应在球列上就是待测坐标机测得的球列Y坐标与球列在高精度坐标机下的Y坐标之差与球X坐标的比值，则此时机床在X轴上坐标为Xi处的偏摆角即导轨在Y方向的角度偏差为：

俯仰角为：

如果考虑安装误差，设安装误差为α，偏摆角或俯仰角为ε，通过公式(1)、(2)计算出的角度为θ，坐标机测得的球列球心拟合直线与机床理想的x轴夹角即为安装误差α，考虑安装误差标定偏摆角和俯仰角的具体步骤如下：

1.拟合机床测得球列球心直线，算出与机床理想x轴的夹角α，即为安装误差；

2.通过实际的读数，用公式(1)或(2)计算出的角度为θ；

3.通过θ-α即可得到机床在球心位置X_i处的偏摆角或俯仰角；

滚转角的测量：

滚转角偏差的测量采用球列平移的方法，平移后每个球列的坐标为：(X′_i,Y′_i,Z′_i)，假设x导轨不存在滚转角误差,y导轨和z导轨都是理想情况，那么此时待测机床测得的球列平移前和平移后的z坐标应该满足条件：Z′_i＝Z_i，假设此时机床误差只有X导轨的滚转角误差，待测机床测得该球列平移前后的Z坐标之差只与X导轨的滚转角有关，机床误差只有X导轨的滚转角误差时滚转角为：

X轴的滚转角应该为Y、Z轴理想情况下的滚转角与Y导轨的俯仰角，Z导轨的偏摆角之差,X轴导轨的滚转角:

ε_x(X_i)＝ε′_x(X_i)-ε_x(Y_i)-ε_x(Z_i) (4)

垂直度的测量：

以X、Y轴的垂直度标定为例，通过公式(1)(2)测得每一个球列与机床理想X，Y轴之间的夹角θ_xi,θ_yi，用θ_xi,θ_yi对机床所测的每一个球列进行校正后,拟合出来机床理想的X轴，Y轴两条直线；拟合两个球列的直线，获得导轨的垂直度