[发明专利]基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法

摘要

基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，先在XOY、XOZ、YOZ三个测量平面内，分别在平面光栅的测量范围内设计规划测量路径；然后依次对XOY、XOZ、YOZ平面的各项误差进行辨识，先辨识得到测量平面上两轴间的垂直度误差，消除垂直度误差影响后利用不同轨迹间关系辨识得到俯仰和偏摆角度误差，消除角度误差影响后辨识得到定位误差与直线度误差，最后结合三个平面辨识得到的已有误差代入模型辨识得到滚转角度误差；对每项几何误差项进行参数化建模，采用正交多项式拟合的方法得到每项几何误差的误差曲线，最终实现空间几何误差的全部辨识过程；本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。

主权项

1.一种基于平面光栅的三面五线机床空间几何误差测量辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在XOY、XOZ、YOZ三个测量平面内，分别在平面光栅的测量范围内设计规划测量路径；针对XOY平面Ⅰ，AⅠ(x10，y10，z0)为测量平面基准点，在平面光栅测量范围内划定测量路径：路径端点为AⅠ(x10，y10，z0)、BⅠ(x11，y10，z0)、CⅠ(x11，y11，z0)、DⅠ(x10，y11，z0)，首先以AⅠ为起点沿路径L10运动至BⅠ；其次以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；再以DⅠ为起点沿路径L12运动至CⅠ；再以CⅠ为起点沿路径L13运动至BⅠ；再以BⅠ为起点沿路径L11运动至DⅠ；最后以DⅠ为起点沿L14运动至AⅠ；在XOZ平面Ⅱ，AⅡ(x20，y0，z20)为测量平面基准点，按相同方式规划路径：路径端点为AⅡ(x20，y0，z20)、BⅡ(x21，y0，z20)、CⅡ(x21，y0，z21)、DⅡ(x20，y0，z20)；首先以AⅡ为起点沿路径L20运动至BⅡ；其次以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；再以DⅡ为起点沿路径L22运动至CⅡ；再以CⅡ为起点沿路径L23运动至BⅡ；再以BⅡ为起点沿路径L21运动至DⅡ；最后以DⅡ为起点沿L24运动至AⅡ；在YOZ平面Ⅲ，AⅢ(x0，y30，z30)为测量平面基准点，按相同方式规划路径：路径端点为AⅢ(x0，y30，z30)、BⅢ(x0，y31，z30)、CⅢ(x0，y31，z31)、DⅢ(x0，y30，z31)；首先以AⅢ为起点沿路径L30运动至BⅢ；其次以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；再以DⅢ为起点沿路径L32运动至CⅢ；再以CⅢ为起点沿路径L33运动至BⅢ；再以BⅢ为起点沿路径L31运动至DⅢ；最后以DⅢ为起点沿L34运动至AⅢ；2)对XOY平面Ⅰ的各项误差进行辨识：先在XOY测量平面安装平面光栅，进行误差辨识，以路径L10和路径L14为基准线，首先辨识平面内XY轴间的垂直度误差，实际测得的L10和L14的趋势线是与规划轨迹存在偏转角度的倾斜直线，依据多个测点的测值，采用最小二乘法拟合求出L10和L14的趋势线的斜率a0,a4，计算得到两条趋势线与X轴和Y轴的倾角αx,αy∈[0，π]，进而求得XY轴间垂直度误差为：αx＝tan‑1a0,αy＝tan‑1a4,通过两条测量路径辨识得到垂直度误差后，将路径L10和路径L14的趋势线旋转至平行于X轴和Y轴，消除耦合的垂直度误差影响，得到路径Ll0和Ll4上修正的测点坐标为(xxl0，yxl0)，(xyl0，yyl0)；同样，将路径L12和路径L13上测量的趋势线旋转至平行于X轴和Y轴消除垂直度误差影响，得到路径L12和路径L13上修正的测点坐标为(xxl1，yxl1)，(xyl1，yyl1)，对于路径L10,L12,L13,L14，设其测点理论坐标值分别为(x1x，y10)(x1x，y11)(x11，y1y)(x10，y1y)，根据测点理论坐标值和修正的测点坐标，在路径L10上得到X轴测量范围内各测点在X轴方向的坐标偏差：Δx0＝xxl0‑x1x；X轴测量范围内在Y方向的坐标偏差为：Δy0＝yxl0‑y10；在路径L14上采用相同方法得到Y轴测量范围内各测点在Y方向的坐标偏差：Δy4＝yyl0‑y1yY轴测量范围内在X方向的坐标偏差为：Δx4＝xyl0‑x10路径L12上各测点X坐标偏差值为Δx2＝xxl1‑x1x，比较其与路径L10上各测点X坐标偏差值Δx0，求出测量范围内X轴在XY平面内的偏摆角度误差εzx：路径L13上各测点Y坐标偏差值为Δy3＝yyl1‑y1y，比较其与路径L14上各测点Y坐标偏差值Δy4，求出测量范围内Y轴在XY平面内的偏摆角度误差εzy：对路径L10和路径L14上辨识得到的坐标偏差进行分析，需要消除角度误差影响才能将耦合在其中的定位误差和直线度误差辨识出来，对路径L10而言，得到X轴的定位误差δxx和Y向直线度误差δyx：δxx＝Δx0+εzxx10δyx＝Δy0‑εzxy1x同理消除路径L14上的角度误差得到Y轴的定位误差δyy和X向直线度误差δxy：δxy＝Δx4+εzyy1yδyy＝Δy4‑εzyx10；3)在XOZ平面Ⅱ内按照规划路径进行与XOY平面Ⅰ内类似的测量和辨识，得到XZ轴间的垂直度误差Sxz，X轴在XZ平面内的俯仰角度误差εyx，Z轴在XZ平面内的偏摆角度误差εyz，Z轴的定位误差δzz，X轴的Z向直线度误差δzx，Z轴的X向直线度误差δxz；4)在YOZ平面Ⅲ内按照规划路径进行与XOY平面Ⅰ内类似的测量和辨识，得到YZ轴间的垂直度误差Syz，Y轴在YZ平面内的俯仰角度误差εxy，Z轴在YZ平面内的俯仰角度误差εxz，Y轴的Z向直线度误差δyz，Z轴的Y向直线度误差δyz；5)对于XYTZ型三轴机床，基于多体系统的建模理论，按照体间运动关系得到误差齐次坐标变换矩阵，最终得到机床的空间综合误差模型：x0，y0，z0为对应三个测量平面内基准点AⅠ，AⅡ，AⅢ在机床工件坐标系下的坐标，工件坐标系原点O为误差原点；在三个测量平面上对各轴测量范围内具有重合段的公共区域进行滚转误差辨识，在XOY测量平面Ⅰ，由路径L11的两次测量得到误差值Δx和Δy；误差模型中△z＝0，得到：在XOZ测量平面Ⅱ，由路径L21的两次测量得到误差值Δx和Δz；误差模型中△y＝0，得到：在YOZ测量平面Ⅲ，由路径L31的两次测量得到误差值Δy和Δz；误差模型中△x＝0，得到：对于上述三个测量平面上的三条测量线，在其重合区域将对应位置点在不同平面的测量方程联立，三个平面共计6个误差模型方程，代入已经测量辨识得到的X、Y、Z轴的定位误差、直线度误差、垂直度误差、俯仰偏摆角度误差和基准点坐标值，则方程中只包含3项未知数，利用最小二乘法拟合求出最满足方程条件的解，得到机床的三项滚转角度误差εxx，εyy，εzz；对于其他类型的机床，根据求得的综合误差模型，采用相同方法也能够辨识得到滚转角度误差；6)辨识得到的各项几何误差是离散的误差数据点，对每项几何误差项进行参数化建模，采用正交多项式拟合的方法得到每项几何误差的误差曲线，最终实现空间几何误差的全部辨识过程。