數控機床幾何精度辨識方法技術

本發明專利技術公開了一種數控機床幾何精度辨識方法，基于九線誤差辨識法，包括以下步驟：步驟（1）建立誤差辨識模型；步驟（2）誤差檢測與誤差源辨識，對滾轉角誤差進行修正，得到在機床坐標系下度量的滾轉角誤差；步驟（3）進行計算機仿真，首分別求解傳統九線法與改進九線法得到的誤差源辨識結果，多次重復上述過程，分析兩種方法所得結果的統計特征，并比較兩者的差別。與現有技術相比，本發明專利技術提高了誤差辨識結果的穩定性，并實現運動副制造安裝誤差的溯源。針對傳統九線法滾轉角誤差辨識中存在原理性偏差的問題，提出一種實驗修正方法，提高滾轉角誤差的辨識精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及數控機床幾何誤差辨識模型技術，尤其涉及數控機床中幾何精度（特別是平動軸滾轉角）誤差的辨識方法。?
技術介紹
誤差補償是提高數控機床幾何精度的一種有效手段，三個平動軸的精度檢測是整機誤差補償最為基礎的一部分內容，基于激光干涉儀的機床誤差檢測方法大致可分為兩類：一類是單項誤差直接檢測法；一類是綜合誤差檢測法，其中應用最為廣泛的為基于激光測量原理的“九線法”，“九線法”將誤差測量技術與誤差分離技術有機結合起來，能夠用最少的測量線數實現機床全部幾何誤差的快速辨識，但是“九線法”存在三點問題：其一，由于激光的測量坐標系與機床坐標系存在偏差，導致滾轉角誤差的辨識結果存在原理性誤差；其二，辨識算法魯棒性不佳，誤差辨識結果對測量噪聲以及機床重復精度過于敏感。除此之外，九線法模型中不含機床結構參數，所得誤差辨識結果主要用于誤差補償，而對機床精度設計與裝配工藝優化沒有太多指導意義，從而制約了九線法的應用范圍。?
技術實現思路
為了克服現有技術存在的問題，本專利技術提供了一種數控機床幾何精度辨識方法，基于九線誤差辨識法，在傳統的九線誤差辨識法之上添加了滾轉角偏差修正功能，以及計算機仿真技術。?本專利技術提出了一種數控機床幾何精度辨識方法，該方法包括以下步驟：?步驟（1）、建立誤差辨識模型，即計算得到測量點P1在坐標xj位置處的9個誤差辨識方程矩陣：?δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]I3-[rP3×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)ΔrP3(zj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]I3-[rP3×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)ΔrP3(zj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]I3-[rP3×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)ΔrP3(zj)]]>式中，εx(xj)該測量點所在位置滾轉角誤差；為點Pi在位置j處的位置誤差向量；為位置矢量的反對稱矩陣，分別對應x,y,z三個坐標軸；?為位置矢量的反對稱矩陣，且有：?ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0;]]>步驟（2）、誤差檢測與誤差源辨識，具體包括以下操作：?選取測量方案，利用激光干涉儀檢測各測量線上的位置誤差，將檢測結果代入步驟（1）中所述方程，辨識運動部件的6維位姿誤差；?修正滾轉角偏差，其具體測量方法為：?（1）在主軸箱上同時或分別固定兩塊千分表，并將測桿與工作臺面接觸；?（2）當工作臺分別運動至xa、xb位置時，其中1≤a＜b≤n，記錄千分表讀數Δz′i(xa)、Δz′i(xb)，其中i＝1,2表示千分表序號；?（3）在四個測量點處根據式(5)分別得到4個Z向誤差方程式?Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)]]>由于工作臺面與X軸的不平行以及千分表測量基準與式(10)不同，導致千分表測量值與式(10)中等號左側的理論值并不對等。為解決這一問題，采用如式(11)所示的作差處理，建立兩者的聯系：?[Δz1(xb)-z1(xa)]-[Δz2(xb)-Δz2(xa)]=[Δz′1(xb)-Δz′1(xa)]-[Δz′2(xb)-Δz′2(xa)]???(11)?rPi=(XiYiZi)T,i=1,2,3---(4)]]>Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)---(10)]]>將式(4)、式(10)代入式(11)，即可求得偏差系數K，而后利用K值對九線法辨識出的滾轉角誤差進行修正，得到在機床坐標系下度量的滾轉角誤差；?步驟（3）、進行計算機仿真，首先給定當機床運動至坐標x時拖板的6項幾何誤差值，利用誤差映射模型得到測量點Pi(i＝1,2,3)理想的空間位置誤差，在理想值上線性疊加一個高斯噪聲作為實際測量結果的模擬值，而后分別求解傳統九線法與改進九線法得到的誤差源辨識結果，多次重復上述過程，分析兩種方法所得結果的統計特征，并比較兩者的差別。?所述測量點位置的優化規劃過程，包括以下步驟：?首先，計算優化目標?minf=16Σi=16σi]]>式中，σi表示第i個誤差源辨識結果的標準差；?然后，設計變量(測量點位置)：以及最后，計算約束條件(測量空間限制)：?Xmin≤Xi≤XmaxYmin≤Yi≤YmaxZmin≤Zi≤Zmax]]>上式中，Xmin/Ymin/Zmin及Xmax/Ymax/Zmax表示工作臺允許布置的測量點坐標范圍；得到測量點的規劃原則為：第一點與第二點選在距所測軸線導軌最近測量面對角線的兩端點處，第三點選在最遠測量面內垂直于所測軸線的一條邊的中點處。?與現有技術相比，本專利技術提高了誤差辨識結果的穩定性，并實現運動副制造安裝誤差的溯源。針對傳統九線法滾轉角誤差辨識中存在原理性偏差的問題，提出一種實驗修正方法，提高滾轉角誤差的辨識精度。?附圖說明圖1是九線法X軸誤差測量原理示意圖；?圖2是九線辨識法原理性偏差示意圖；?圖3是X軸坐標系統示本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種數控機床幾何精度辨識方法，基于九線誤差辨識法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟（1）、建立誤差辨識模型，即計算得到測量點P1在坐標xj位置處的9個誤差辨識方程矩陣：δ(xj)ϵ(xj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(xj)ΔrP2(xj)...ΔrPi(xj)]]>δ(yj)ϵ(yj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(yj)ΔrP2(yj)...ΔrPi(yj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)...ΔrPi(zj)]]>式中，εx(xj)該測量點所在位置滾轉角誤差；為點Pi在位置j處的位置誤差向量；為位置矢量的反對稱矩陣，分別對應x,y,z三個坐標軸；為位置矢量的反對稱矩陣，且有：ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(yj)=ΔxPi(yj)ΔyPi(yj)ΔzPi(yj),[rPi×]=0-ZiXiZi0-Yi-XiYi0]]>ΔrPi(zj)=ΔxPi(zj)ΔyPi(zj)ΔzPi(zj),[rPi×]=0-YiXiYi0-Zi-XiZi0;]]>步驟（2）、誤差檢測與誤差源辨識，具體包括以下操作：選取測量方案，利用激光干涉儀檢測各測量線上的位置誤差，將檢測結果代入步驟（1）中所述方程，辨識運動部件的6維位姿誤差；修正滾轉角偏差，其具體測量方法為：（1）在主軸箱上同時或分別固定兩塊千分表，并將測桿與工作臺面接觸；（2）當工作臺分別運動至xa、xb位置時，其中1≤a＜b≤n，記錄千分表讀數Δz′i(xa)、Δz′i(xb)，其中i＝1,2表示千分表序號；（3）在四個測量點處根據式(5)分別得到4個Z向誤差方程式Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)]]>由于工作臺面與X軸的不平行以及千分表測量基準與式(10)不同，導致千分表測量值與式(10)中等號左側的理論值并不對等。為解決這一問題，采用如式(11)所示的作差處理，建立兩者的聯系：[Δz1(xb)?Δz1(xa)]?[Δz2(xb)?Δz2(xa)]=[Δz′1(xb)?Δz′1(xa)]?[Δz′2(xb)?Δz′2(xa)]???(11)rPi=(XiYiZi)T,i=1,2,3---(4)]]>Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb)Δz2(xa)=δz(xa)-X2aϵy(xa)+Y2aϵx*(xa)Δz2(xb)=δz(xb)-X2bϵy(xb)+Y2bϵx*(xb)---(10)]]>將式(4)、式(10)代入式(11)，即可求得偏差系數K，而后利用K值對九線法辨識出的滾轉角誤差進行修正，得到在機床坐標系下度量的滾轉角誤差；步驟（3）、進行計算機仿真，首先給定當機床運動至坐標x時拖板的6項幾何誤差值，利用誤差映射模型得到測量點Pi(i＝1,2,3)理想的空間位置誤差，在理想值上線性疊加一個高斯噪聲作為實際測量結果的模擬值，而后分別求解傳統九線法與改進九線法得到的誤差源辨識結果，多次重復上述過程，分析兩種方法所得結果的統計特征，并比較兩者的差別。...

【技術特征摘要】
1.一種數控機床幾何精度辨識方法，基于九線誤差辨識法，其特征在于，該方法
包括以下步驟：
步驟（1）、建立誤差辨識模型，即計算得到測量點P1在坐標xj位置處的9個誤差辨
識方程矩陣：
δ(xj)ϵ(xj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(xj)ΔrP2(xj)...ΔrPi(xj)]]>δ(yj)ϵ(yj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(yj)ΔrP2(yj)...ΔrPi(yj)]]>δ(zj)ϵ(zj)=I3-[rP1×]I3-[rP2×]...I3-[rPi×]+ΔrP1(zj)ΔrP2(zj)...ΔrPi(zj)]]>式中，εx(xj)該測量點所在位置滾轉角誤差；為點Pi在位置j處
的位置誤差向量；為位置矢量的反對稱矩陣，分別對應x,y,z三個坐標軸；為位置矢量的反對稱矩陣，且有：
ΔrPi(xj)=ΔxPi(xj)ΔyPi(xj)ΔzPi(xj),[rPi×]=0-ZiYiZi0-Xi-YiXi0]]>ΔrPi(yj)=ΔxPi(yj)ΔyPi(yj)ΔzPi(yj),[rPi×]=0-ZiXiZi0-Yi-XiYi0]]>ΔrPi(zj)=ΔxPi(zj)ΔyPi(zj)ΔzPi(zj),[rPi×]=0-YiXiYi0-Zi-XiZi0;]]>步驟（2）、誤差檢測與誤差源辨識，具體包括以下操作：
選取測量方案，利用激光干涉儀檢測各測量線上的位置誤差，將檢測結果代入
步驟（1）中所述方程，辨識運動部件的6維位姿誤差；
修正滾轉角偏差，其具體測量方法為：
（1）在主軸箱上同時或分別固定兩塊千分表，并將測桿與工作臺面接觸；
（2）當工作臺分別運動至xa、xb位置時，其中1≤a＜b≤n，記錄千分表讀數Δz′i(xa)、
Δz′i(xb)，其中i＝1,2表示千分表序號；
（3）在四個測量點處根據式(5)分別得到4個Z向誤差方程式
Δz1(xa)=δz(xa)-X1aϵy(xa)+Y1aϵx*(xa)Δz1(xb)=δz(xb)-X1bϵy(xb)+Y1bϵx*(xb...

【專利技術屬性】
技術研發人員：田文杰，潘琪，張大衛，常文芬，聶應新，郭龍真，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12