一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种非接触式R‑test测量仪的结构参数优化方法，属于非接触式R‑test五轴数控机床转动轴误差测量仪器领域；其方法包括步骤1：建立采用电涡流位移传感器的非接触式R‑test测量仪的结构模型，并对结构模型的坐标进行预处理；步骤2：基于步骤1和传感器测得的感应电压构建测量灵敏度方程获得灵敏度最大化对应的传感器仰角；步骤3：基于灵敏度最大化的结构模型计算各传感器的测量约束方程；步骤4：计算同时满足测量约束方程的测量点个数即测量空间体积后，获得测量空间最大化对应的传感器中心间距，完成结构参数优化；解决了现有接触式R‑test测量仪因接触磨损和机械结构导致传感器读数灵敏度差和测量精度低等问题，实现了测量仪的精确测量。

A Method for Optimizing Structural Parameters of Non-contact R-test Measuring Instrument

The invention discloses a method for optimizing the structural parameters of a non-contact R_test measuring instrument, which belongs to the field of non-contact R_test five-axis NC machine tool rotational axis error measuring instrument. The method comprises steps 1: establishing a structural model of a non-contact R_test measuring instrument using eddy current displacement sensor, and preprocessing the coordinates of the structural model; steps 2: based on steps 1 and transmission; The sensitivity equation of the sensor is constructed to maximize the elevation of the sensor. Step 3: Calculate the measurement constraint equation of each sensor based on the structure model of sensitivity maximization. Step 4: Calculate the number of measurement points that satisfy the measurement constraint equation at the same time, i.e. measure the space volume, and obtain the corresponding sensor center spacing to maximize the measurement space. The problems of poor sensitivity and low accuracy of sensor reading caused by contact wear and mechanical structure are solved, and the precise measurement of the measuring instrument is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法
本专利技术属于非接触式R-test五轴数控机床转动轴误差测量仪器领域，尤其是一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法。
技术介绍
随着机床使用寿命的增加，由于磨损、变形等原因，机床各部件几何精度降低，使其加工精度下降。准确测量机床刀尖点的误差是进行误差补偿以提高其加工精度的关键，而对机床转动轴的几何误差测量尚未有专用的精密测量仪器和规范，一般采用激光干涉仪、球杆仪等进行间接测量，存在测量效率低、测量精度受到安装误差影响等问题；相比上述仪器的不足，R-test测量仪结合五轴数控机床的RTCP\RPCP联动功能，可直接测量辨识获取转动轴的几何误差、主轴的运动误差、热变形误差等，实现简便测量机床转动轴的几何误差；R-test测量仪主要采用两种测量方式即通过接触式位移传感器或非接触式位移传感器测量中心球球心坐标；现有技术中关于其的研究甚少，关于R-test测量仪的研究集中于接触式测量方式，其中刘大炜、李亮亮等提出了采用接触式位移传感器的R-test仪器的测量原理，并对其结构进行了优化分析；接触式R-test测量仪测量算法简单，且传感器安装位置偏差不会对测量结果构成影响，但其机械结构导致传感器的读数敏感度不高，接触带来磨损，导致测量精度低。非接触式R-test测量仪可以避免测量磨损产生的测量误差，并可以在主轴高速转动条件下进行测量，测量敏感度和稳定性更好，但是现有技术中对非接触式R-test测量仪的研究甚少；非接触式R-test测量仪的主要性能指标受测量仪的结构参数的影响较大，因此需要一种方法优化非接触式R-test测量仪的结构参数，实现非接触式R-test测量的高灵敏度和较大的测量空间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：本专利技术提供了一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法，解决现有接触式R-test测量仪因接触磨损和机械结构导致测量灵敏度差和测量精度低的问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法，包括如下步骤：步骤1：建立采用电涡流位移传感器的非接触式R-test测量仪的结构模型，并对结构模型的坐标进行预处理；步骤2：根据预处理后的结构模型和电涡流位移传感器测得的感应电压构建测量灵敏度方程获得灵敏度最大化对应的传感器仰角α；步骤3：基于灵敏度最大化的结构模型计算各电涡流位移传感器的测量约束方程；步骤4：计算同时满足测量约束方程的测量点个数即测量空间体积后，获得测量空间体积最大化对应的传感器中心间距λ，完成结构参数优化。优选地，所述步骤1包括如下步骤：步骤1.1：建立包括均匀分布的三个非接触式电涡流位移传感器和一个测量球的结构模型；步骤1.2：定义三个传感器底端中心点所在平面ΔABC为基准面，传感器轴线与基准面的夹角均为传感器仰角α；步骤1.3：建立测量坐标系XYZ，坐标系Z轴与测量仪中心轴线重合，坐标系的XOY坐标面与基准面平行。优选地，所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1：结合预处理后的结构模型，根据电涡流传感器的感应原理和传感器标定试验构建传感器测量特性曲线方程一，方程一如下：其中，k、t、m、n、q为传感器测量特性参数，δ为传感器量程，Li为测量球心到第i个传感器感应端面的距离，ri为球心到第i个传感器中心轴线的距离，rmax为传感器能够有效测量所允许的最大ri，Ui为第i个传感器测得的感应电压，R球为测量球半径；步骤2.2：假设所有传感器的测量特性参数一致，测量坐标系原点定义为传感器中心轴线的交点即传感器仰角均为α，且球心到传感器中心轴线的距离ri＝0，获得如下传感器测量特性曲线方程二：步骤2.3：计算球心与传感器端面的距离Li：其中，(x,y,z)为球心坐标，ai、bi、ci、di为各传感器感应端面方程系数；步骤2.4：将Li代入传感器测量特性曲线方程二后计算感应电压的变化量ΔU，计算公式如下：步骤2.5：将感应电压的变化量ΔU进行数学变形获得如下公式：步骤2.6：由于ai、bi、ci、di为各传感器感应端面方程系数，且di的值不会影响ΔU与Δx、Δy、Δz之间的关系，故可以用传感器感应端面的任意一个单位法矢表示ai、bi、ci的值且根据测量仪的传感器仰角获得感应端面的一组单位法矢，计算测量仪的测量灵敏度方程，方程基于XOZ面：其中，ΔP为测量球球心坐标微量变化矩阵ΔU为传感器测得的感应电压变化量，关于传感器仰角α的矩阵J表示测量球球心坐标微量变化矩阵ΔP与传感器测得的感应电压变化量ΔU之间的映射关系。步骤2.7：定义关于传感器仰角α的矩阵J的条件数的倒数作为测量灵敏度评价指标Prec，根据测量灵敏度方程绘制测量仪灵敏度评价指标Prec与传感器仰角a的关系曲线，根据曲线获得灵敏度最大化的传感器仰角α。优选地，所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1：基于灵敏度最大化的结构模型(基于XOZ平面)推导出传感器能够有效测量所允许的最大ri即rmax方程：其中，M(x，y，z)为传感器外圆柱面任意一点，V为传感器感应端面法向矢量，Pi-0为各传感器感应端面中心点，rmax为各传感器能够有效测量所允许的最大ri；步骤3.2：基于传感器3对应的rmax和M点到传感器感应端面距离获得传感器3的测量约束方程：其中，R探为传感器端部半径，R球为测量球半径，δ为传感器量程，λ为传感器中心间距即测量仪中心轴线与传感器感应端面圆心的距离；步骤3.3：基于传感器2对应的rmax和M点到传感器感应端面距离获得传感器2的测量约束方程：步骤3.4：基于传感器1对应的rmax和M点到传感器感应端面距离获得传感器1的测量约束方程：优选地，所述步骤4包括如下步骤：步骤4.1：利用蒙特卡罗搜索法计算测量空间体积即当前λ下满足3个测量约束方程要求的测量点个数；步骤4.2：基于步骤4.1计算不同λ下的测量空间Sj，其中j＝1，…，m；m为所取λ的个数；步骤4.3：绘制S-λ关系曲线，获得测量体积最大化对应的传感器中心间距λ，实现测量灵敏度最大化和测量空间最大化，完成结构参数优化。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术通过建立非接触式R-test结构模型，通过优化结构参数传感器仰角α和传感器中心间距λ，实现测量仪测量灵敏度和测量空间最大化，解决了现有接触式R-test测量仪因接触磨损和机械结构导致测量灵敏度差和测量精度低的问题，达到了提高测量仪的测量精度的效果；2.本专利技术的R-test测量仪敏感度是指能产生有效感应电压信号的最小球心移动量，与传感器仰角α相关；根据传感器感应电压测量特性曲线方程与点到平面距离公式，构建感应电压Ui与测量球球心坐标(x，y，z)的函数关系模型，从而建立感应电压的变化量ΔUi与测量球球心坐标微量变化矩阵ΔP(Δx，Δy，Δz)T的矩阵方程；用一组关于传感器仰角α的单位法矢矩阵J代替ΔU-ΔP矩阵方程中的传感器感应端面平面系数ai、bi、ci和di；根据矩阵分析理论，以矩阵J的条件数的倒数作为测量灵敏度评价指标Prec，确定Prec与α的对应关系，获得使测量灵敏度评价指标Prec最大的传感器仰角α，实现测量仪测量灵敏度最大化；3.本专利技术非接触式R-test测量仪的最大测量空间为测量过程中测量球本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式R‑test测量仪的结构参数优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立采用电涡流位移传感器的非接触式R‑test测量仪的结构模型，并对结构模型的坐标进行预处理；步骤2：根据预处理后的结构模型和电涡流位移传感器测得的感应电压构建测量灵敏度方程获得灵敏度最大化对应的传感器仰角α；步骤3：基于灵敏度最大化的结构模型计算各电涡流位移传感器的测量约束方程；步骤4：计算同时满足测量约束方程的测量点个数即测量空间体积后，获得测量空间体积最大化对应的传感器中心间距λ，完成结构参数优化。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立采用电涡流位移传感器的非接触式R-test测量仪的结构模型，并对结构模型的坐标进行预处理；步骤2：根据预处理后的结构模型和电涡流位移传感器测得的感应电压构建测量灵敏度方程获得灵敏度最大化对应的传感器仰角α；步骤3：基于灵敏度最大化的结构模型计算各电涡流位移传感器的测量约束方程；步骤4：计算同时满足测量约束方程的测量点个数即测量空间体积后，获得测量空间体积最大化对应的传感器中心间距λ，完成结构参数优化。2.根据权利要求1所述的一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：步骤1.1：建立包括均匀分布的三个非接触式电涡流位移传感器和一个测量球的结构模型；步骤1.2：定义三个传感器底端中心点所在平面ΔABC为基准面，传感器轴线与基准面的夹角均为传感器仰角α；步骤1.3：建立测量坐标系XYZ，坐标系Z轴与测量仪中心轴线重合，坐标系的XOY坐标面与基准面平行。3.根据权利要求2所述的一种非接触式R-test测量仪的结构参数优化方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1：结合预处理后的结构模型，根据电涡流传感器的感应原理和传感器标定试验构建传感器测量特性曲线方程一，方程一如下：其中，k、t、m、n、q为传感器测量特性参数，δ为传感器量程，Li为测量球心到第i个传感器感应端面的距离，ri为球心到第i个传感器中心轴线的距离，rmax为传感器能够有效测量所允许的最大ri，Ui为第i个传感器测得的感应电压，R球为测量球半径；步骤2.2：假设所有传感器的测量特性参数一致，测量坐标系原点定义为传感器中心轴线的交点即传感器仰角均为α，且球心到传感器中心轴线的距离ri＝0，获得如下传感器测量特性曲线方程二：Ui＝kLim+q(i＝1,2,3)步骤2.3：计算球心与传感器端面的距离Li：其中，(x,y,z)为球心坐标，ai、bi、ci、di为各传感器感应端面方程系数；步骤2.4：将Li代入传感器测量特性曲线方程二后计算感应电压的变化量ΔU，计算公式如下：步骤2.5：将感应电压的变化量ΔU进行数学变形获得如下公式：步骤2.6：由于ai...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国富，江磊，丁国华，张剑，黎荣，邹益胜，
申请(专利权)人：成都天佑创软科技有限公司，西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51