[发明专利]一种基于激光干涉仪测量的多轴机床几何误差辨识方法

说明书

本发明公开了一种基于激光干涉仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，包括以下步骤：根据机床结构规划激光干涉仪测量空间；分别在测量空间内的x,y,z三个移动方向上各选择三条移动轨迹，分别测量这九条移动轨迹上特定点的定位误差和两个直线度误差；对测量数据进行预处理；根据坐标变换原理构建几何误差辨识矩阵，并依据预处理后的测量数据进行机床几何误差辨识。本发明通过对直线度误差进行预处理，降低因测量坐标系与机床坐标系不一致而导致的测量误差，提高辨识精度；通过改进选取的测量项，增加方程组的限制条件，克服了误差传递现象，提高辨识结果的可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于多轴机床精度检测领域，特别涉及一种基于激光干涉仪测量的多轴机床几何误差辨识方法。

背景技术

机床是现代加工与制造技术中不可缺少的工具，而机床的加工精度一直是评判其性能优劣的重要指标。目前对于机床加工精度的提高主要有两种方法，一种是提高机床几何精度，这种方法是通过提高机床零部件的尺寸和形状精度以及整机的装配精度来保证机床加工精度，但同时大大增加的机床制造的难度和成本；另一种是进行误差补偿，这种方法首先测量出机床的几何误差，再使用控制器通过相应的误差计算模型和补偿算法来修正几何误差，这种方法因为能以较小的代价提高机床加工精度而得到了广泛的运用。

在使用误差补偿方法时，如何测量并辨识出机床的全部几何误差成为了研究重点。在众多精度检测设备中，激光干涉仪由于其检测精度较高，测量项较全，可以通过更换不同镜组进行多种测量项的检测，且成本控制得当的优点，成为了机床精度检测的主流设备。一些学者对于使用激光干涉仪进行机床几何误差测量的方案进行了研究，通过测量机床特定几条路径得到误差的耦合数据，再通过相应的辨识模型进行解耦求得机床的几何误差，常用的测量方案有二十二线法、十五线法、九线法、十二线法等。但是这些方法需要利用干涉仪测量空间内多条特定直线的误差，仍存在以下技术问题：第一，辨识的参考坐标系轴线方向是机床轴线运动方向，即机床惯性坐标系轴线方向，而激光干涉仪测量时的参考坐标系轴线方向往往不会与之重合，这会导致测量出的直线度误差与误差辨识所需要的直线度误差间存在一定的偏差，最终导致辨识结果不理想；第二，辨识由于解耦计算中各类型误差参与度不同，因而导致解耦计算过程中会存在误差传播的情况，最终导致误差辨识精度不高。

如发明专利CN 103791878 A，公开了一种数控机床几何精度辨识方法，基于九线误差辨识法，包括以下步骤：建立误差辨识模型；误差检测与误差源辨识，对滚转角误差进行修正，得到在机床坐标系下度量的滚转角误差；进行计算机仿真，首分别求解传统九线法与改进九线法得到的误差源辨识结果，多次重复上述过程，分析两种方法所得结果的统计特征，并比较两者的差别。该发明提高了误差辨识结果的稳定性，并实现运动副制造安装误差的溯源。针对传统九线法滚转角误差辨识中存在原理性偏差的问题，提出一种实验修正方法，提高滚转角误差的辨识精度。

在申请公布号为CN 109732402 A的发明专利中，公开一种基于激光干涉仪的多线机床空间几何误差测量辨识方法，首先测量X轴的定位误差、两项非滚转角度误差以及两项直线度误差；再测量Y轴的定位误差、两项非滚转角度误差以及Z向直线度误差；再测量Z轴的定位误差以及两项费滚转角度误差；最后在测量条件满足的情况下辨识直线度误差，再对面对角线以及体对角线进行定位误差的测量，结合空间综合误差模型辨识得到滚转角及三项包含垂直度误差的直线度误差，若之前没有辨识直线度误差，则利用结合直线度误差公式辨识得到三项滚转角及六项直线度误差；该发明能够满足空间几何误差的辨识需求，同时具有高测量效率，高测量精度的优点。

但上述技术方案中基于九线法的数控机床几何精度辨识方法仍存在着其局限性：

1)忽略了激光干涉仪测量时的测量坐标系与机床坐标系不一致对直线度误差测量带来的影响，导致辨识结果无法统一。

2)辨识计算过程中由于选取的三个测量方向的测量次数不同，从而导致测量项几何误差的参与度不同，最终导致几何误差辨识精度不高。

发明内容