[发明专利]一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法

权利要求书

1.一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测；

步骤2、根据五轴数控机床的拓扑结构，建立五轴数控机床与垂直度误差有关的指数积公式，进行误差解耦，得到垂直度误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，其特征在于，所述步骤1中，根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测，包括步骤：

步骤1.1、首先，将夹具基座安装在工作台上，磁性底座安装在夹具基座上。然后，使用机床探针把工件工具杯中心确定为工件坐标系的原点。最后，把主轴工具杯移动到X轴负方向100mm的位置，将杆长为100mm的球杆仪一端安装在工件工具杯上，另一端安装在主轴工具杯上；

步骤1.2、由于球杆仪的采集速度是恒定的，所以球杆仪的检测点需均匀分布。首先，在斜侧45°xy轴坐标系下将半径为圆的周长平均分为1000份，先取该坐标系中位于x轴负方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：

然后，再取该坐标系中位于x轴正方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：

步骤1.3、根据计算得到2组检测点分别使用相应的旋转变换矩阵，使1000个二维坐标变换成1000个三维坐标，旋转变换矩阵如下所示：

步骤1.4、根据坐标变换得到的1000个检测点，使用G代码生成检测路径；

步骤1.5、球杆仪沿已生成的检测路径，以300mm/min的运行速度进行检测。在检测过程中，采用三轴联动的方式进行检测，当球杆仪运动到第1000个点的位置时，再沿原路径反向运动，完成2000个检测点的数据采集。

3.根据权利要求1所述的一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，根据五轴数控机床的拓扑结构，建立五轴数控机床与垂直度误差有关的指数积公式，进行误差解耦，得到垂直度误差，包括步骤：

步骤2.1、以五轴数控机床X轴为基准建立机床的简易模型，依据机床拓扑结构Y→X→R→Z，建立指数积公式：

T₀＝[0 0 0 1]^T；

将上述各项带入公式(2)中，可以得到理论检测点坐标与实际检测点坐标之间关于垂直度误差关系，如下所示：

X_en＝X_in+Y_in*sinθ_xy+Z_in*sinθ_xz (4)

Y_en＝Y_in-Z_in*sinθ_yz (5)

Z_en＝-Z_in (6)

步骤2.2、构建球杆仪长度与实际检测点的关系，如下所示：

M＝X_en²+Y_en²+Z_en² (7)

将公式(4-6)带入公式(7)中得到球杆仪长度与垂直度误差关系式，如下所示：

M＝Y_in²*sinθ_xy²+Z_in²*sinθ_xz²+Z_in²*sinθ_yz²+X_in²+Y_in²+Z_in²+2*X_in*Y_in*sinθ_xy+2*X_in*Z_in*sinθ_xz-2*Y_in*Z_in*sinθ_yz+2*Y_in*Z_in*sinθ_xy*sinθ_xz (8)

步骤2.3、将球杆仪测量得到的2000个检测点数据带入公式(8)中组成2000个方程，生成2000个伪逆矩阵，用伪逆函数的方法即可求出三项垂直度误差。